İnsanoğlu, tüm cisimlerin Dünya'ya düşmesini sağlayan gücü uzun zamandır biliyor. Ancak 17. yüzyıla kadar. Yalnızca Dünya'nın, yüzeyine yakın bulunan cisimleri çekme özel özelliğine sahip olduğuna inanılıyordu. 1667'de Newton genel olarak tüm cisimler arasında karşılıklı çekim kuvvetlerinin etki ettiğini öne sürdü. Bu kuvvetlere kuvvet adını verdi evrensel yerçekimi.
Newton cisimlerin hareket yasalarını keşfetti. Bu yasalara göre ivmeli hareket ancak kuvvetin etkisi altında mümkündür. Düşen cisimler ivmeyle hareket ettiğinden, Dünya'ya doğru aşağıya doğru yönlendirilen bir kuvvetin onlara etki etmesi gerekir.
Etrafımızdaki bedenler arasındaki karşılıklı çekimi neden fark etmiyoruz? Belki bu, aralarındaki çekici kuvvetlerin çok küçük olmasıyla açıklanabilir?
Newton, cisimler arasındaki çekim kuvvetinin her iki cismin kütlesine bağlı olduğunu ve ancak etkileşen cisimler (veya en azından bunlardan biri) yeterli kuvvete sahip olduğunda fark edilebilir bir değere ulaştığını göstermeyi başardı. büyük kütle.
Hızlanma serbest düşüş ilginç bir özelliği ile ayırt edilir bu yer tüm cisimler için, her kütledeki cisimler için aynı. İlk bakışta bu çok garip özellik. Sonuçta Newton'un ikinci yasasını ifade eden formülden,
bundan, kütlesi ne kadar küçükse, bir cismin ivmesinin de o kadar büyük olması gerektiği sonucu çıkar. Düşük kütleli cisimler, büyük kütleli cisimlere göre daha büyük bir ivmeyle düşmelidir. Deneyimler, serbestçe düşen cisimlerin ivmelerinin kütlelerine bağlı olmadığını göstermiştir (bkz. § 20). Tek açıklama bu muhteşem yerde bulunabilir
Gerçek şu ki, Dünya'nın bir cismi çektiği kuvvet, onun kütlesiyle orantılıdır;
Aslında bu durumda örneğin kütlenin iki katına çıkması kuvveti de iki katına çıkaracak, ancak orana eşit olan ivme değişmeden kalacaktır. Newton bu tek doğru sonuca vardı: Evrensel yerçekiminin kuvveti, etki ettiği cismin kütlesiyle orantılıdır. Ancak bedenler birbirini çeker. Ve Newton'un üçüncü yasasına göre, eşit mutlak değerdeki kuvvetler her iki çekici cisme de etki eder. Bu, karşılıklı çekim kuvvetinin, çeken cisimlerin her birinin kütlesiyle orantılı olması gerektiği anlamına gelir. Daha sonra her iki cisim de kütlelerine bağlı olmayan ivmeler alacaktır.
Kuvvet, etkileşen cisimlerin her birinin kütlesiyle orantılıysa, bu, her iki cismin kütlelerinin çarpımı ile orantılı olduğu anlamına gelir.
İki cisim arasındaki karşılıklı çekim kuvveti başka neye bağlıdır? Newton bunun cisimler arasındaki mesafeye bağlı olması gerektiğini öne sürdü. Dünya yakınında serbest düşme ivmesinin eşit olduğu ve 1, 10 veya 100 m yükseklikten düşen cisimler için de aynı olduğu deneyimlerden iyi bilinmektedir. Ancak bundan henüz ivmenin bağlı olmadığı sonucunu çıkaramıyoruz. Dünya'ya olan mesafe. Newton, mesafelerin Dünya'nın yüzeyinden değil merkezinden sayılması gerektiğine inanıyordu. Ancak Dünya'nın yarıçapı 6400 km'dir. Bu nedenle, Dünya yüzeyinden onlarca veya yüzlerce metre yüksekte yer çekiminin ivmesini gözle görülür şekilde değiştiremeyeceği açıktır.
Bedenler arasındaki mesafenin karşılıklı çekim kuvvetini nasıl etkilediğini bulmak için, cisimlerin Dünya yüzeyinden büyük mesafelerde hangi ivmeyle hareket ettiğini bilmeniz gerekir.
Dünya yüzeyinden birkaç bin kilometre yükseklikte bulunan cisimlerin serbest düşüşünün dikey ivmesini ölçmenin zor olduğu açıktır. Yer çekimi kuvvetinin Dünya'ya doğru etkisi altında bir daire içinde Dünya etrafında hareket eden bir cismin merkezcil ivmesini ölçmek daha uygundur. Elastik kuvveti incelerken aynı tekniği kullandığımızı hatırlayalım. Bu kuvvetin etkisi altında bir daire içinde hareket eden bir silindirin merkezcil ivmesini ölçtük.
Evrensel yerçekimi kuvvetini incelerken doğanın kendisi fizikçilerin yardımına geldi ve Dünya çevresinde bir daire içinde hareket eden bir cismin ivmesini belirlemeyi mümkün kıldı. Böyle bir vücut doğal uydu Dünya - Ay. Sonuçta, eğer Newton'un varsayımı doğruysa, o zaman Ay'ın Dünya etrafındaki bir daire içinde hareket ederken merkezcil ivmesinin, Dünya'ya olan çekim kuvveti tarafından verildiğini varsaymamız gerekir. Eğer Ay ile Dünya arasındaki çekim kuvveti aralarındaki mesafeye bağlı olmasaydı, Ay'ın merkezcil ivmesi ile Dünya'nın ivmesi aynı olurdu.
Dünya yüzeyine yakın cisimlerin serbest düşüşü. Aslında, zaten bildiğimiz gibi, Ay'ın yörüngesinde hareket ettiği merkezcil ivme eşittir (bkz. Alıştırma 16, Problem 9). Ve bu, Dünya'ya yakın düşen cisimlerin ivmesinden yaklaşık 3600 kat daha azdır. Aynı zamanda Dünya'nın merkezinden Ay'ın merkezine olan mesafenin 384.000 km olduğu biliniyor. Bu 60 kere yarıçaptan daha büyük Dünya, yani Dünya'nın merkezinden yüzeyine olan mesafe. Böylece, çeken cisimler arasındaki mesafenin 60 kat artması, ivmenin 602 kat azalmasına yol açmaktadır. Buradan, evrensel yerçekimi kuvvetinin cisimlere verdiği ivmenin ve dolayısıyla bu kuvvetin, etkileşen cisimler arasındaki mesafenin karesiyle ters orantılı olduğu sonucuna varabiliriz.
Newton bu sonuca vardı.
Bu nedenle iki kütleli cismin birbirine bir kuvvetle çekildiğini yazabiliriz. mutlak değer formülle ifade edilen
nerede cisimler arasındaki mesafe, y orantılılık katsayısıdır, doğadaki tüm cisimler için aynıdır. Bu evrensel çekim katsayısına çekim sabiti denir.
Yukarıdaki formül Newton'un keşfettiği evrensel çekim yasasını ifade etmektedir:
Tüm cisimler birbirlerine kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılı, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılı bir kuvvetle çekilirler.
Evrensel yerçekiminin etkisi altında, her iki gezegen de Güneş'in etrafında hareket eder ve yapay uydular dünyanın çevresinde.
Peki etkileşim halindeki cisimler arasındaki mesafeden ne anlaşılmalıdır? İsteğe bağlı iki gövdeyi ele alalım (Şek. 109). Hemen şu soru ortaya çıkıyor: Evrensel çekim yasası formülüne hangi mesafe konulmalıdır? Arasındaki mesafe
her iki cismin yüzeyinin en uzak noktaları mı yoksa tam tersine en yakın noktalar arasındaki mesafe mi? Ya da belki vücudun diğer bazı noktaları arasındaki mesafe?
Evrensel çekim yasasını ifade eden formül (1)'in, cisimler arasındaki mesafenin, cisimlerin maddi noktalar olarak kabul edilebilecek kadar büyük olması durumunda geçerli olduğu ortaya çıktı. Aralarındaki çekim kuvveti hesaplanırken Dünya ve Ay, gezegenler ve Güneş maddi noktalar olarak kabul edilebilir.
Eğer cisimler top şeklindeyse, büyüklükleri aralarındaki mesafeye yakın olsa bile birbirlerini çekerler. maddi noktalar, topların merkezlerinde bulunur (Şek. 110). Bu durumda bu, topların merkezleri arasındaki mesafedir.
Formül (1), büyük yarıçaplı bir top ile keyfi şekilli bir cisim arasındaki çekim kuvvetini hesaplarken de kullanılabilir. küçük boyutlar topun yüzeyine yakın bir yerde bulunur (Şek. 111). Daha sonra topun yarıçapına kıyasla gövdenin boyutları ihmal edilebilir. Çeşitli cisimlerin yerküreye olan çekiciliğini düşündüğümüzde yaptığımız da tam olarak budur.
Yerçekimi kuvveti, bu kuvvetin etki ettiği cismin, etkiye sahip cisme göre konumuna (koordinatlarına) bağlı olan bir kuvvetin başka bir örneğidir. Sonuçta yer çekimi kuvveti cisimler arasındaki mesafeye bağlıdır.
Hepimiz Dünya üzerinde yürüyoruz çünkü o bizi çekiyor. Eğer Dünya yüzeyindeki tüm cisimleri çekmeseydi, o zaman ondan uzaklaşır ve uzaya uçardık. Ancak bu olmaz ve herkes yerçekiminin varlığını bilir.
Dünyayı mı çekiyoruz? Ay çekiyor!
Dünyayı kendimize mi çekiyoruz? Komik soru, değil mi? Ama hadi çözelim. Denizlerde ve okyanuslarda gelgitlerin neler olduğunu biliyor musunuz? Su her gün kıyılardan ayrılıyor, bilinmeyen bir yerde birkaç saat dolaşıyor ve sonra sanki hiçbir şey olmamış gibi geri dönüyor.
Yani şu anda su bilinmeyen bir yerde değil, yaklaşık olarak okyanusun ortasında. Orada su dağına benzer bir şey oluşuyor. İnanılmaz, değil mi? Yayılma özelliğine sahip olan su, sadece aşağı doğru akmakla kalmaz, dağları da oluşturur. Ve bu dağlarda büyük miktarda su yoğunlaşmıştır.
Gelgitler sırasında kıyılardan uzaklaşan suyun tüm hacmini tahmin edin, bunu anlayacaksınız. Hakkında konuşuyoruz devasa miktarlar hakkında. Ancak eğer bu olursa, bir nedeni olmalı. Ve bir nedeni var. Bunun nedeni ise bu suyun Ay'a çekilmesidir.
Ay, Dünya'nın etrafında dönerken okyanusların üzerinden geçer ve onu çeker. okyanus suları. Ay, Dünya tarafından çekildiği için Dünya'nın etrafında döner. Ancak kendisinin de Dünya'yı kendine çektiği ortaya çıktı. Ancak dünya onun için çok büyük ama etkisi okyanuslardaki suyu hareket ettirmeye yetiyor.
Evrensel çekim kuvveti ve yasası: kavram ve formül
Şimdi daha da ileri gidelim ve düşünelim: Eğer iki büyük cisim yakınlarda birbirini çekiyorsa, daha küçük cisimlerin de birbirini çekeceğini varsaymak mantıklı değil mi? Çok daha küçükler mi ve çekici güçleri de küçük mü olacak?
Bu varsayımın kesinlikle doğru olduğu ortaya çıktı. Evrendeki kesinlikle tüm cisimler arasında çekim kuvvetleri veya başka bir deyişle evrensel yerçekimi kuvvetleri vardır.
Bu olguyu ilk keşfeden ve bunu yasa biçiminde formüle eden ilk kişi Isaac Newton'du. Evrensel çekim yasası şunu belirtir: tüm cisimler birbirini çeker ve çekim kuvveti, cisimlerin her birinin kütlesiyle doğru orantılı ve aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır:
F = G * (m_1 * m_2) / r^2 ,
burada F cisimler arasındaki çekim vektörünün büyüklüğü, m_1 ve m_2 bu cisimlerin kütleleridir, r cisimler arasındaki mesafedir, G yerçekimi sabitidir.
Yerçekimi sabiti, sayısal olarak 1 metre uzaklıkta bulunan 1 kg kütleli cisimler arasındaki kuvvete eşittir. Bu değer deneysel olarak bulunmuştur: G=6,67*〖10〗^(-11) N* m^2⁄〖kg〗^2.
Asıl sorumuza dönersek: "Dünyayı çekiyor muyuz?", güvenle "evet" diye cevap verebiliriz. Newton'un üçüncü yasasına göre, Dünya'nın bizi çektiği kuvvetin aynısıyla biz de Dünya'yı çekiyoruz. Bu kuvvet evrensel çekim yasasından hesaplanabilir.
Newton'un ikinci yasasına göre ise cisimlerin herhangi bir kuvvetin birbirleri üzerindeki etkisi, birbirlerine verdikleri ivmeyle ifade edilir. Ancak verilen ivme cismin kütlesine bağlıdır.
Dünyanın kütlesi büyüktür ve bu bize yerçekimi ivmesini verir. Ve kütlemiz Dünya'ya kıyasla ihmal edilebilir düzeydedir ve bu nedenle Dünya'ya verdiğimiz ivme neredeyse sıfırdır. Bu yüzden Dünya'ya çekiliyoruz ve onun üzerinde yürüyoruz, tersi değil.
Kesinlikle, hem doğrudan Dünya'da bulunanlar hem de Evrende mevcut olan tüm maddi bedenler sürekli olarak birbirini çeker. Bu etkileşimin her zaman görülememesi veya hissedilmemesi yalnızca çekiciliğin verilerde olduğunu gösterir. özel durumlar nispeten zayıf.
Maddi cisimler arasındaki etkileşim, bunlardan oluşur. sürekli çabalamak temel prensiplere göre birbirlerine fiziksel terimler, yerçekimi olarak adlandırılırken, çekim olgusunun kendisi de yerçekimi olarak adlandırılır.
Yerçekimi olgusu mümkündür çünkü kesinlikle herhangi bir maddi cismin etrafında (bir kişinin etrafı dahil) bir yerçekimi alanı vardır. Bu alan, hiçbir şeyin korunamadığı ve bir cismin diğerine etki ettiği, bu alanın kaynağının merkezine doğru hızlanmaya neden olan özel bir madde türüdür. İngiliz doğa bilimci ve filozof I. tarafından 1682'de formüle edilen evrensel çekimin temelini oluşturan şey tam olarak buydu.
Bu yasanın ana kavramı, yukarıda belirtildiği gibi etkinin sonucundan başka bir şey olmayan yer çekimi kuvvetidir. yerçekimi alanı bunun için veya bunun için malzeme gövdesi. cisimlerin karşılıklı çekiciliğinin hem Dünya'da hem de Dünya'da meydana geldiği gerçeğinde yatmaktadır. uzay, doğrudan bu cisimlerin kütlesinin ürününe bağlıdır ve ters ilişki bu nesneleri ayıran mesafeden.
Bu nedenle, tanımı Newton'un kendisi tarafından verilen yerçekimi kuvveti yalnızca iki ana faktöre bağlıdır: etkileşen cisimlerin kütlesi ve aralarındaki mesafe.
Bunu doğrulamak bu olgu maddenin kütlesine bağlıdır, Dünya'nın onu çevreleyen cisimlerle etkileşimi incelenerek bulunabilir. Newton'dan kısa bir süre sonra, başka bir ünlü bilim adamı olan Galileo, gezegenimizin tüm cisimlere tam olarak aynı ivmeyi verdiğini ikna edici bir şekilde gösterdi. Bu ancak Dünya'ya doğru olan cismin doğrudan bu cismin kütlesine bağlı olması durumunda mümkündür. Nitekim bu durumda, kütle birkaç kez arttığında, yerçekimine etki eden kuvvet tam olarak aynı miktarda artacak, ivme ise değişmeden kalacaktır.
Bu düşünceyi sürdürürsek ve "mavi gezegenin" yüzeyindeki herhangi iki cismin etkileşimini dikkate alırsak, her birine "Dünya Ana"dan gelen aynı kuvvetin etki ettiği sonucuna varabiliriz. Aynı zamanda, aynı Newton tarafından formüle edilen ünlü yasaya dayanarak, bu kuvvetin büyüklüğünün doğrudan vücudun kütlesine bağlı olacağını, dolayısıyla bu cisimler arasındaki çekim kuvvetinin doğrudan ürüne bağlı olduğunu güvenle söyleyebiliriz. onların kitlelerinin.
Bunun cisimler arasındaki boşluğun boyutuna bağlı olduğunu kanıtlamak için Newton, Ay'ı bir "müttefik" olarak dahil etmek zorunda kaldı. Cisimlerin Dünya'ya düşme hızının yaklaşık 9,8 m/s^2 olduğu uzun zamandır bilinmektedir, ancak bir dizi deney sonucunda Ay'ın gezegenimize göre eşit olduğu ortaya çıkmıştır. yalnızca 0,0027 m/s^2.
Bu nedenle yer çekimi kuvveti en önemli kuvvettir. fiziksel miktar Bu, hem gezegenimizde hem de çevredeki uzayda meydana gelen birçok süreci açıklıyor.
Sir Isaac Newton, kafasına bir elmayla vurularak evrensel çekim yasasını çıkardı:
Herhangi iki cisim birbirine, cismin kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılı ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılı bir kuvvetle çekilir:
F = (Gm 1 m2)/R2, burada
m1, m2- vücut kütleleri
R- cisimlerin merkezleri arasındaki mesafe
G = 6,67 10 -11 Nm2 /kg- devamlı
Dünya yüzeyindeki serbest düşüşün ivmesini belirleyelim:
F g = m gövde g = (Gm gövde m Toprak)/R 2
R (Dünyanın yarıçapı) = 6,38 10 6 m
m Toprak = 5,97 10 24 kg
m gövde g = (Gm gövde m Toprak)/R 2 veya g = (Gm Toprak)/R 2
Yer çekimine bağlı ivmenin cismin kütlesine bağlı olmadığını lütfen unutmayın!
g = 6,67 10 -11 5,97 10 24 /(6,38 10 6) = 398,2/40,7 = 9,8 m/s 2
Daha önce yerçekiminin ( yerçekimi çekimi) arandı ağırlık.
Dünya yüzeyinde bir cismin ağırlığı ve kütlesi aynı değer. Ancak Dünya'dan uzaklaştıkça cismin ağırlığı azalacak (Dünyanın merkezi ile cisim arasındaki mesafe artacağı için) ve kütle sabit kalacaktır (çünkü kütle cismin eylemsizliğinin bir ifadesidir). vücut). Kütle ölçülür kilogram, ağırlık girişi Newton.
Yerçekimi kuvveti sayesinde gök cisimleri birbirlerine göre dönerler: Ay, Dünya'nın etrafında; Dünya Güneş'in etrafında; Galaksimizin merkezi etrafındaki güneş vb. Bu durumda cisimler, yerçekimi kuvvetinin sağladığı merkezkaç kuvveti tarafından tutulur.
Aynı şey için de geçerlidir yapay organlar(uydular) Dünya'nın etrafında dönüyor. Uydunun etrafında döndüğü daireye yörünge denir.
Bu durumda uyduya bir merkezkaç kuvveti etki eder:
F c = (m uydu V 2)/R
Yerçekimi kuvveti:
F g = (Dünyanın Gm uydusu m)/R 2
F c = F g = (m uydu V 2)/R = (Gm uydu m Dünya)/R 2
V2 = (Gm Toprak)/R; V = √(Gm Dünya)/R
Bu formülü kullanarak yarıçaplı bir yörüngede dönen herhangi bir cismin hızını hesaplayabilirsiniz. R dünyanın çevresinde.
Dünyanın doğal uydusu Ay'dır. Yörüngedeki doğrusal hızını belirleyelim:
Dünya kütlesi = 5,97 10 24 kg
R dünyanın merkezi ile ayın merkezi arasındaki mesafedir. Bu mesafeyi belirlemek için üç nicelik eklememiz gerekir: Dünyanın yarıçapı; Ay'ın yarıçapı; Dünya'dan Ay'a olan mesafe.
Ayın R'si = 1738 km = 1,74 10 6 m
R dünya = 6371 km = 6,37 10 6 m
R zł = 384400 km = 384,4 10 6 m
Gezegenlerin merkezleri arasındaki toplam mesafe: R = 392,5·10 6 m
Ay'ın doğrusal hızı:
V = √(Gm Dünya)/R = √6,67 10 -11 5,98 10 24 /392,5 10 6 = 1000 m/s = 3600 km/saat
Ay, Dünya'nın etrafında dairesel bir yörüngede hareket eder. doğrusal hız V 3600 km/saat!
Şimdi Ay'ın Dünya etrafında dönüş periyodunu belirleyelim. Yörünge periyodu sırasında Ay belli bir mesafe kat eder uzunluğa eşit yörüngeler - 2πR. Yörünge hızı Aylar: V = 2πR/T; diğer tarafta: V = √(Gm Dünya)/R:
2πR/T = √(Gm Dünya)/R dolayısıyla T = 2π√R 3 /Gm Dünya
T = 6,28 √(60,7 10 24)/6,67 10 -11 5,98 10 24 = 3,9 10 5 sn
Ay'ın Dünya etrafındaki dönüş süresi 2.449.200 saniye yani 40.820 dakika veya 680 saat yani 28,3 gündür.
1. Dikey dönüş
Daha önce sirklerde bir bisikletçinin (motosikletçinin) yaptığı çok popüler bir numara vardı. tam dönüş dikey olarak yerleştirilmiş bir dairenin içinde.
Bir dublörün en üst noktada düşmekten kaçınmak için minimum hızı ne olmalıdır?
En üst noktayı düşmeden geçebilmek için cismin yer çekimi kuvvetini telafi edecek merkezkaç kuvvetini yaratacak bir hıza sahip olması gerekir.
Merkezkaç kuvveti: F c = mV 2 / R
Yer çekimi: F g = mg
Fc = Fg; mV2/R = mg; V = √Rg
Hesaplamalara vücut ağırlığının dahil olmadığını bir kez daha unutmayın! Lütfen bunun vücudun en üstte sahip olması gereken hız olduğunu unutmayın!
Sirk arenasında yarıçapı 10 metre olan bir daire olduğunu varsayalım. Bu numara için güvenli hızı hesaplayalım:
V = √Rg = √10·9,8 = 10 m/s = 36 km/sa
Sadece en gizemli olanı değil doğanın güçleri ama aynı zamanda en güçlüsü.
İlerleme yolundaki adam
Tarihsel olarak ortaya çıktı ki İnsan ileriye doğru ilerledikçe ilerleme yolları doğanın giderek daha güçlü olan güçlerine hakim oldu. Yumruğunda tuttuğu bir sopa ve kendi fiziksel gücünden başka hiçbir şeyi olmadığında başladı.
Ama o bilgeydi ve hayvanların fiziksel gücünü hizmetine sunarak onları evcilleştirdi. At koşusunu hızlandırdı, deve çölü yaşanabilir hale getirdi, fil bataklık ormanını yarattı. Ancak Fiziksel gücü en güçlü hayvanlar bile doğanın güçleri karşısında ölçülemeyecek kadar zayıftır.
Ateş elementini ilk kez insanoğlu zapt etti, ancak yalnızca en zayıf versiyonlarıyla. İlk başta - yüzyıllar boyunca - yakıt olarak yalnızca odun kullandı; çok düşük enerjili bir yakıt türü. Bir süre sonra, rüzgarın enerjisini kullanmak için bu enerji kaynağını kullanmayı öğrendi, adam yelkenin beyaz kanadını havaya kaldırdı ve hafif gemi dalgaların üzerinde bir kuş gibi uçtu.
Dalgaların üzerinde yelkenli
Bıçakları rüzgâra maruz bıraktı yel değirmeni- ve değirmen taşlarının ağır taşları dönmeye ve tahıl değirmenlerinin havan tokmakları tıngırdamaya başladı. Ancak hava jetlerinin enerjisinin yoğunlaşmaktan uzak olduğu herkes için açıktır. Ayrıca hem yelken hem de yel değirmeni rüzgarın esmesinden korkuyordu: Fırtına yelkenleri yırtıp gemileri batırdı, fırtına kanatları kırdı ve değirmenleri devirdi.
Daha sonra bile insan fethetmeye başladı akan su. Tekerlek, su enerjisini enerjiye dönüştürebilen cihazların yalnızca en ilkel olanı değildir. dönme hareketi, ama aynı zamanda çeşitli olanlarla karşılaştırıldığında en az güçlü olanıdır.
İnsan, ilerleme merdiveninde daima ileriye doğru yürüdü ve her şeye ihtiyaç duydu Büyük miktarlar enerji.
Yeni yakıt türleri kullanmaya başladı - zaten yanmaya geçiyor kömür Bir kilogram yakıtın enerji yoğunluğunu 2500 kcal'den 7000 kcal'e, yani neredeyse üç katına çıkardı. Sonra sıra petrol ve gaza geldi. Her kilogram fosil yakıtın enerji içeriği yine bir buçuk ila iki kat arttı.
Buhar motorları buhar türbinlerinin yerini aldı; değirmen çarklarının yerini hidrolik türbinler aldı. Daha sonra adam elini bölünen uranyum atomuna uzattı. Bununla birlikte, yeni bir enerji türünün ilk kullanımının trajik sonuçları oldu - 1945'te Hiroşima'nın nükleer yangını, birkaç dakika içinde 70 bin insan kalbini yaktı.
1954'te dünyanın ilk Sovyeti nükleer enerji santrali Uranyumun gücünü elektrik akımının ışınım kuvvetine dönüştürüyor. Ayrıca bir kilogram uranyumun, bir kilogram en iyi petrolden iki milyon kat daha fazla enerji içerdiğini de belirtmek gerekir.
Bu, temelde yeni bir ateşti ve fiziksel olarak adlandırılabilirdi çünkü bu kadar muhteşem miktarda enerjinin doğuşuna yol açan süreçleri fizikçiler araştırıyordu.
Uranyum tek nükleer yakıt değildir. Daha güçlü bir yakıt türü zaten kullanılıyor - hidrojen izotopları.
Ne yazık ki insan henüz hidrojen-helyum nükleer alevine boyun eğdiremedi. Her şeyi yakan ateşini bir an için nasıl yakacağını biliyor ve tepkiyi ateşliyor. hidrojen bombası uranyum patlamasının parıltısı. Ama giderek bilim adamlarına daha da yakın görünüyor ve hidrojen reaktörü kim doğuracak elektrik hidrojen izotop çekirdeklerinin helyum çekirdeklerine füzyonu sonucu.
Yine bir kişinin her kilogram yakıttan alabileceği enerji miktarı neredeyse on kat artacaktır. Peki bu adım, insanlığın doğa güçleri üzerindeki gücünün gelecek tarihindeki son adımı mı olacak?
HAYIR! İleride enerjinin yerçekimi formunda ustalaşmak var. Doğa tarafından hidrojen-helyum füzyonunun enerjisinden bile daha ihtiyatlı bir şekilde paketlenmiştir. Bugün bu, bir insanın hayal edebileceği en yoğun enerji şeklidir.
Orada henüz bilimin ileri sınırlarının ötesinde hiçbir şey görünmüyor. Ve enerji santrallerinin insanlar için çalışacağını, yerçekimi enerjisini elektrik akımına (ve belki de memeden kaçan bir gaz akışına) dönüştüreceğini güvenle söyleyebiliriz. Jet motoru veya her yerde bulunan silikon ve oksijen atomlarının ultra nadir metal atomlarına planlı dönüşümünde), böyle bir enerji santralinin (roket motoru, fiziksel reaktör) detayları hakkında henüz bir şey söyleyemeyiz.
Galaksilerin doğuşunun kökenlerindeki evrensel çekim kuvveti
Galaksilerin doğuşunun kökeninde evrensel çekim kuvveti vardır yıldız öncesi maddeden, olduğu gibi akademisyen ikna oldu V. A. Ambartsumyan. Doğumlarında kendilerine verilen yıldız yakıtını tüketerek zamanlarını tüketen yıldızları söndürür.
Etrafınıza bir bakın: Dünyadaki her şey büyük ölçüde bu güç tarafından kontrol ediliyor.
Gezegenimizin katmanlı yapısını - litosfer, hidrosfer ve atmosferin değişimini - belirleyen budur. Dibinde ve onun sayesinde hepimizin var olduğu kalın bir hava gazı tabakasını tutan odur.
Yerçekimi olmasaydı, Dünya hemen Güneş etrafındaki yörüngesinden çıkardı ve yerkürenin kendisi de merkezkaç kuvvetleri tarafından parçalanıp parçalanırdı. Bir dereceye kadar evrensel yerçekimi kuvvetine bağlı olmayan bir şey bulmak zordur.
Elbette çok dikkatli insanlar olan eski filozoflar, yukarıya atılan bir taşın her zaman geri geldiğini fark etmeden duramazlardı. MÖ 4. yüzyılda Platon bunu, Evrendeki tüm maddelerin benzer maddelerin çoğunun yoğunlaştığı yere yöneldiğini söyleyerek açıkladı: Atılan bir taş yere düşüyor ya da dibe gidiyor, dökülen su en yakın gölete ya da suya sızıyor. denize doğru yol alan bir nehir, ateşin dumanı benzer bulutlara doğru koşuyor.
Platon'un öğrencisi Aristoteles, tüm cisimlerin var olduğunu açıkladı. özel özellikler ağırlık ve hafiflik. Ağır cisimler - taşlar, metaller - Evrenin merkezine, hafif cisimler - ateş, duman, buhar - çevreye doğru koşar. Evrensel yerçekimi kuvvetiyle ilişkili bazı olguları açıklayan bu hipotez, 2 bin yıldan fazla bir süredir varlığını sürdürüyor.
Bilim adamları evrensel yerçekimi kuvveti hakkında
Muhtemelen bu soruyu gündeme getiren ilk kişi evrensel yerçekimi kuvveti gerçekten bilimsel olarak Rönesans'ın bir dehası vardı - Leonardo da Vinci. Leonardo, yerçekiminin sadece Dünya'ya özgü olmadığını, birçok ağırlık merkezinin bulunduğunu ileri sürdü. Ayrıca yer çekimi kuvvetinin, ağırlık merkezine olan mesafeye bağlı olduğu fikrini de dile getirdi.
Copernicus, Galileo, Kepler, Robert Hooke'un çalışmaları evrensel çekim yasası fikrine giderek daha da yaklaştı, ancak son formülasyonunda bu yasa sonsuza kadar Isaac Newton'un adıyla ilişkilendirildi.
Isaac Newton evrensel çekim kuvveti hakkında
4 Ocak 1643'te doğdu. döl Cambridge Üniversitesi, lisans oldu, ardından bilim ustası oldu.
Isaac Newton Bundan sonraki her şey sonsuz zenginliktir bilimsel çalışmalar. Ancak asıl eseri 1687'de yayınlanan ve genellikle basitçe "İlkeler" olarak adlandırılan "Doğal Felsefenin Matematiksel İlkeleri"dir. Büyük olan onlarda formüle edilir. Muhtemelen herkes onu liseden hatırlıyor.
Tüm cisimler birbirlerini, bu cisimlerin kütlelerinin çarpımı ile doğru orantılı, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılı bir kuvvetle çekerler...
Bu formülasyonun bazı hükümleri Newton'un öncüllerini önceden tahmin edebildi, ancak hiç kimse bunu bütünüyle başarmayı başaramadı. Dünyanın yerçekimini Ay'a ve Güneş'in yerçekimini tüm gezegen sistemine yaymak için bu parçaları tek bir bütün halinde birleştirmek Newton'un dehasını gerektirdi.
Newton, evrensel çekim yasasından, daha önce Kepler tarafından keşfedilen tüm gezegensel hareket yasalarını çıkardı. Bunların sadece sonuçları olduğu ortaya çıktı. Üstelik Newton, yalnızca Kepler yasalarının değil, aynı zamanda bu yasalardan sapmaların da (üç veya daha fazla cismin olduğu dünyada) evrensel çekimin bir sonucu olduğunu gösterdi... Bu, bilimin büyük bir zaferiydi.
Sonunda keşfedilmiş ve matematiksel olarak tanımlanmış gibi görünüyordu ana güç Dünyaları hareket ettiren doğa, hava moleküllerini, elmaları ve Güneş'i kontrol eden güç. Newton'un attığı adım devasaydı, ölçülemeyecek kadar büyüktü.
Parlak bilim adamının eserlerinin ilk popülerleştiricisi, Voltaire takma adıyla dünyaca ünlü Fransız yazar François Marie Arouet, Newton'un düşen bir elmaya baktığında aniden kendi adını taşıyan yasanın varlığını fark ettiğini söyledi.
Newton'un kendisi bu elmadan hiç bahsetmedi. Ve bugün bunu çürütmek için zaman harcamaya değmez güzel efsane. Ve görünüşe göre, anlamak için büyük güç Newton doğaya mantıksal akıl yürütme yoluyla geldi. Muhtemelen, “Başlangıçlar” ın ilgili bölümünde yer alan da buydu.
Evrensel yerçekimi kuvveti çekirdeğin uçuşunu etkiler
Diyelim ki çok yüksek dağ O kadar yüksek ki tepesi zaten atmosferin dışında, dev bir top yerleştirdik. Namlusu yüzeye kesinlikle paralel konumlandırılmıştı küre ve kovuldu. Yayı tanımladıktan sonra, çekirdek Dünya'ya düşüyor.
Şarjı artırıyoruz, barutun kalitesini artırıyoruz ve bir şekilde bir sonraki atıştan sonra gülleyi daha yüksek hızda hareket etmeye zorluyoruz. Çekirdek tarafından tanımlanan yay daha düz hale gelir. Çekirdek dağımızın eteğinden çok daha uzağa düşüyor.
Ayrıca şarjı arttırıp ateş ediyoruz. Çekirdek o kadar düz bir yörünge boyunca uçar ki, yerkürenin yüzeyine paralel olarak alçalır. Çekirdek artık Dünya'ya düşemez: Düşme hızıyla Dünya onun altından kaçar. Ve gezegenimizin etrafında bir halka tanımladıktan sonra çekirdek, başlangıç noktasına geri döner.
Bu arada silah çıkarılabilir. Sonuçta çekirdeğin dünya etrafındaki uçuşu bir saatten fazla sürecek. Ve sonra çekirdek hızla dağın tepesinden uçacak ve Dünya çevresinde yeni bir uçuşa başlayacak. Eğer çekirdek, anlaştığımız gibi herhangi bir hava direncine maruz kalmazsa asla düşemeyecek.
Bunun için çekirdek hızının 8 km/sn'ye yakın olması gerekiyor. Çekirdeğin uçuş hızını arttırırsak ne olur? İlk önce eğrilikten daha düz bir yay çizerek uçacak yeryüzü ve Dünya'dan uzaklaşmaya başlayacak. Aynı zamanda Dünya'nın yerçekiminin etkisi altında hızı azalacaktır.
Ve nihayet, arkasını dönerek Dünya'ya düşmeye başlayacak, ancak onun yanından uçacak ve bir daireyi değil bir elipsi kapatacak. Çekirdek, Dünya'nın Güneş'in etrafında dönmesiyle aynı şekilde, yani gezegenimizin merkezinin bulunacağı odak noktalarından birinde bir elips boyunca Dünya'nın etrafında hareket edecek.
Çekirdeğin başlangıç hızını daha da artırırsanız elips daha da gerilecektir. Bu elipsi çekirdeğe ulaşacak şekilde uzatabilirsiniz. ay yörüngesi hatta çok daha ileri. Ama şu ana kadar başlangıç hızı bu çekirdek saniyede 11,2 km'yi geçmeyecek, Dünya'nın uydusu olarak kalacak.
Ateşlendiğinde saniyede 11,2 km'nin üzerinde bir hıza ulaşan çekirdek, sonsuza kadar parabolik bir yörünge boyunca Dünya'dan uzaklaşacak. Elips kapalı bir eğri ise parabol, sonsuza giden iki dalı olan bir eğridir. Bir elips boyunca hareket ederek, ne kadar uzun olursa olsun, kaçınılmaz olarak sistematik olarak başlangıç noktasına döneceğiz. Bir parabol boyunca hareket ederek başlangıç noktası asla geri dönmeyeceğiz.
Ancak Dünya'yı bu hızda terk eden çekirdek henüz sonsuza uçamayacak. Güneş'in güçlü yerçekimi, uçuşunun yörüngesini bükecek ve onu bir gezegenin yörüngesi gibi kendi etrafında kapatacaktır. Çekirdek, gezegen ailemizden bağımsız küçük bir gezegen olan Dünya'nın kız kardeşi olacak.
Çekirdeği ötesine yönlendirmek için gezegen sistemi Güneş çekimini yenmek için ona 16,7 km/sn'nin üzerinde bir hız vermeniz ve hızı bu hıza eklenecek şekilde yönlendirmeniz gerekir. kendi hareketi Toprak.
Yaklaşık 8 km/sn'lik bir hıza (bu hız topumuzu ateşleyen dağın yüksekliğine bağlıdır) dairesel hız denir, 8'den 11,2 km/sn'ye kadar olan hızlar eliptiktir, 11,2'den 16,7 km/sn'ye kadar olan hızlar ise paraboliktir, ve bu sayının üzerinde - özgürleştirici hızlarda.
Bu hızlara ilişkin verilen değerlerin yalnızca Dünya için geçerli olduğunu da buraya eklemek gerekir. Mars'ta yaşasaydık, dairesel hıza bizim için çok daha kolay ulaşılabilir olurdu; bu hız yalnızca yaklaşık 3,6 km/sn'dir ve parabolik hız ise 5 km/sn'nin yalnızca biraz üzerindedir.
Ancak çekirdeği Jüpiter'den uzaya göndermek, Dünya'dan göndermekten çok daha zor olurdu: Bu gezegendeki dairesel hız 42,2 km/sn, parabolik hız ise 61,8 km/sn!
Güneş'te yaşayanlar için dünyalarını terk etmek çok zor olurdu (tabii ki böyle bir şey mümkün olsaydı). Bu devin dairesel hızı 437,6, ayrılma hızı ise 618,8 km/sn olmalıdır!
Yani Newton'un XVII sonu yüzyılda, sıcak havayla dolu ilk uçuştan yüz yıl önce sıcak hava balonu Montgolfier kardeşler, Wright kardeşlerin uçağının ilk uçuşlarından iki yüz yıl önce ve ilk sıvı yakıtlı roketlerin kalkışından neredeyse çeyrek bin yıl önce, uydular ve uzay araçları için gökyüzüne giden yolu göstermişlerdi.
Evrensel çekim kuvveti her kürenin doğasında vardır
Kullanarak evrensel çekim kanunu açıktı bilinmeyen gezegenler, oluşturuldu kozmogonik hipotezler Menşei Güneş Sistemi. Yıldızları, gezegenleri, bahçedeki elmaları, atmosferdeki gaz moleküllerini kontrol eden doğanın ana gücü keşfedildi ve matematiksel olarak tanımlandı.
Ancak evrensel çekimin mekanizmasını bilmiyoruz. Newton yerçekimi açıklamaz ama açıkça temsil eder mevcut durum gezegen hareketleri.
Evrendeki tüm cisimlerin etkileşimine neyin sebep olduğunu bilmiyoruz. Ve Newton'un bu sebeple ilgilenmediği söylenemez. Yıllarca bunun olası mekanizması üzerinde düşündü.
Bu arada, bu gerçekten son derece gizemli bir güç. Yüz milyonlarca kilometrelik uzayda kendini gösteren, ilk bakışta etkileşimin aktarımını açıklayabilecek herhangi bir maddi oluşumdan yoksun bir kuvvet.
Newton'un hipotezleri
VE Newton başvurdu hipotez Tüm Evreni doldurduğu iddia edilen belirli bir eterin varlığı hakkında. 1675 yılında, Dünya'nın çekiciliğini, tüm Evreni dolduran eterin sürekli akışlar halinde Dünya'nın merkezine koşması, bu hareketteki tüm nesneleri yakalayıp yerçekimi kuvveti yaratmasıyla açıkladı. Aynı eter akışı Güneş'e doğru koşar ve gezegenleri ve kuyruklu yıldızları da beraberinde taşıyarak onların eliptik yörüngelerini sağlar...
Kesinlikle matematiksel olarak mantıklı olmasına rağmen bu çok ikna edici bir hipotez değildi. Ancak daha sonra 1679'da Newton, yerçekimi mekanizmasını açıklayan yeni bir hipotez yarattı. Bu sefer etere, gezegenlerin yakınında ve uzağında farklı konsantrasyonlara sahip olma özelliğini veriyor. Gezegenin merkezinden ne kadar uzaksa eterin de o kadar yoğun olduğu söyleniyor. Ve tüm maddi gövdeleri daha yoğun katmanlarından daha az yoğun olanlara sıkıştırma özelliğine sahiptir. Ve tüm bedenler Dünya yüzeyine sıkıştırılıyor.
1706'da Newton eterin varlığını kesin bir şekilde reddetti. 1717'de yine eterin ekstrüde edilmesi hipotezine geri döndü.
Newton'un parlak beyni çözümle boğuşuyordu büyük sır ve onu bulamadım. Bu, bir yandan diğer yana bu kadar keskin fırlatmayı açıklıyor. Newton şunu söylemekten hoşlanırdı:
Ben hipotez kurmuyorum.
Ve her ne kadar bunu doğrulayabildiğimiz anda, bu tamamen doğru olmasa da, kesin olarak başka bir şey söylenebilir: Newton, tartışılmaz şeyler ile istikrarsız ve tartışmalı hipotezler arasında nasıl net bir ayrım yapılacağını biliyordu. Ve “İlkeler” de büyük yasanın formülü var ama mekanizmasını açıklamaya yönelik hiçbir girişim yok.
Büyük fizikçi bu bilmeceyi geleceğin adamına miras bıraktı. 1727'de öldü.
Bu güne kadar çözülmedi.
Newton yasasının fiziksel özüne ilişkin tartışma iki yüzyıl sürdü. Ve belki de bu tartışma, kendisine sorulan tüm soruları tam olarak yanıtlasaydı, yasanın özüyle ilgili olmayacaktı.
Ancak gerçek şu ki zamanla bu yasanın evrensel olmadığı ortaya çıktı. Şunu veya bu fenomeni açıklayamadığı durumlar var. Örnekler verelim.
Seeliger'in hesaplamalarında evrensel çekim kuvveti
Bunlardan ilki Seeliger paradoksudur. Evrenin sonsuz olduğunu ve eşit biçimde maddeyle dolu olduğunu düşünen Seeliger, Newton yasasına göre sonsuz büyük kütlenin tamamının yarattığı evrensel çekim kuvvetini hesaplamaya çalıştı. sonsuz evren bir noktada.
Saf matematik açısından bakıldığında bu kolay bir iş değildi. En karmaşık dönüşümlerin tüm zorluklarının üstesinden gelen Seeliger, istenen evrensel çekim kuvvetinin Evrenin yarıçapıyla orantılı olduğunu tespit etti. Ve bu yarıçap sonsuza eşit olduğundan, çekim kuvvetinin sonsuz büyüklükte olması gerekir. Ancak pratikte bunu gözlemlemiyoruz. Bu, evrensel çekim yasasının tüm Evren için geçerli olmadığı anlamına gelir.
Ancak paradoksun başka açıklamaları da mümkündür. Örneğin, maddenin tüm Evreni eşit şekilde doldurmadığını, ancak yoğunluğunun giderek azaldığını ve sonunda çok uzak bir yerde hiç maddenin bulunmadığını varsayabiliriz. Ancak böyle bir tabloyu hayal etmek, uzayın madde olmadan var olma ihtimalini kabul etmek anlamına gelir ki bu da genellikle saçmadır.
Evrensel çekim kuvvetinin mesafenin karesi arttıkça daha hızlı zayıfladığını varsayabiliriz. Ancak bu, Newton yasasının şaşırtıcı uyumunu sorguluyor. Hayır ve bu açıklama bilim adamlarını tatmin etmedi. Paradoks bir paradoks olarak kaldı.
Merkür'ün hareketinin gözlemleri
Newton yasasıyla açıklanmayan bir başka gerçek, evrensel çekim kuvvetinin etkisi, Merkür'ün hareketinin gözlemleri- gezegene en yakın. Newton yasasını kullanan doğru hesaplamalar, elipsin Merkür'ün Güneş'e en yakın hareket ettiği noktası olan perhelion'un 100 yılda 531 yay saniyesi kadar kayması gerektiğini gösterdi.
Ve gökbilimciler bu yer değiştirmenin 573 yay saniyesine eşit olduğunu belirlediler. Bu fazlalık (42 yay saniyesi) de bilim adamları tarafından yalnızca Newton yasasından kaynaklanan formüller kullanılarak açıklanamadı.
Seeliger paradoksunu, Merkür'ün günberi noktasındaki kaymayı ve diğer birçok paradoksal olguyu açıkladı. açıklanamayan gerçekler Albert Einstein en iyisi olmasa da en büyüklerinden biri büyük fizikçi tüm zamanların ve insanların. Can sıkıcı küçük şeyler arasında şu soru da vardı: ruhani rüzgar.
Albert Michelson'un deneyleri
Görünüşe göre bu soru doğrudan yerçekimi problemiyle ilgili değildi. Optikle, ışıkla ilgiliydi. Daha doğrusu hızını belirlemek için.
Işığın hızı ilk kez Danimarkalı gökbilimci tarafından belirlendi Olaf Roemer Jüpiter'in uydularının tutulmasını gözlemliyoruz. Bu 1675'te oldu.
Amerikalı fizikçi Albert Michelson V XVIII'in sonu yüzyılda, tasarladığı aparatı kullanarak karasal koşullar altında ışığın hızına ilişkin bir dizi belirleme gerçekleştirdi.
1927'de ışık hızına 299796 + 4 km/sn değerini verdi; bu o zamanlar için mükemmel bir doğruluktu. Ama mesele farklı. 1880'de ruhani rüzgarı keşfetmeye karar verdi. Nihayet, hem yerçekimsel etkileşimin iletimini hem de ışık dalgalarının iletimini açıklamaya çalıştıkları eterin varlığını tespit etmek istedi.
Michelson muhtemelen zamanının en dikkat çekici deneycisiydi. Mükemmel donanıma sahipti. Ve başarıdan neredeyse emindi.
Deneyimin özü
Deneyim bu şekilde planlanmıştı. Dünya yörüngesinde yaklaşık 30 km/sn hızla hareket eder. Eter boyunca hareket eder. Bu, alıcının önünde duran bir kaynaktan gelen ışığın Dünya'nın hareketine göre hızının, diğer tarafta duran bir kaynaktan gelen ışıktan daha büyük olması gerektiği anlamına gelir. İlk durumda eterik rüzgarın hızının ışık hızına eklenmesi gerekir; ikinci durumda ise ışığın hızının bu miktarda azalması gerekir.
Elbette Dünya'nın Güneş etrafındaki yörünge hızı, ışık hızının yalnızca on binde biri kadardır. Bu kadar küçük bir terimi tespit etmek çok zordur, ancak Michelson'a doğruluk kralı denmesi boşuna değildir. Işık ışınlarının hızlarındaki "ince" farkı yakalamak için akıllıca bir yöntem kullandı.
Işını iki eşit akıma böldü ve bunları karşılıklı olarak dik yönlere yönlendirdi: meridyen boyunca ve paralel boyunca. Aynalardan yansıyan ışınlar geri döndü. Paralel boyunca ilerleyen bir ışın eterik rüzgardan etkilenirse, meridyensel bir ışına eklendiğinde girişim saçakları ortaya çıkacak ve iki ışının dalgaları faz dışı olacaktır.
Bununla birlikte, Michelson için her iki ışının yollarını bu kadar büyük bir doğrulukla, dolayısıyla tamamen aynı olacak şekilde ölçmek zordu. Böylece aparatı hiçbir girişim saçağı olmayacak şekilde yaptı ve sonra onu 90 derece döndürdü.
Meridyonel ışın enlemsel hale geldi ve bunun tersi de geçerli oldu. Eterik bir rüzgar varsa, mercek altında siyah ve açık çizgiler görünmelidir! Ama orada değildiler. Belki de aparatı döndürürken bilim adamı onu hareket ettirmiştir.
Öğle vakti kurup emniyete aldı. Sonuçta, aynı zamanda bir eksen etrafında dönmesine ek olarak. Ve bu nedenle farklı zaman Enlem ışını, yaklaşan eterik rüzgara göre farklı bir konumda bulunuyor. Artık cihaz kesinlikle hareketsiz olduğunda, deneyin doğruluğundan emin olunabilir.
Yine hiçbir girişim saçağı yoktu. Deney birçok kez yapıldı ve Michelson ve onunla birlikte o zamanın tüm fizikçileri hayrete düştü. Hiçbir eterik rüzgar tespit edilmedi! Işık her yöne aynı hızla hareket ediyordu!
Bunu kimse açıklayamadı. Michelson deneyi defalarca tekrarladı, ekipmanı geliştirdi ve sonunda neredeyse inanılmaz ölçüm doğruluğuna ulaştı; bu, deneyin başarısı için gerekenden çok daha büyük bir mertebedeydi. Ve yine hiçbir şey!
Albert Einstein'ın deneyleri
Bir sonraki büyük adım evrensel yerçekimi kuvvetinin bilgisi yaptı Albert Einstein.
Albert Einstein'a bir zamanlar soruldu:
kendine nasıl geldin özel teori görelilik? Hangi koşullar altında bu dahiyane fikir aklınıza geldi? Bilim adamı şu cevabı verdi: "Hep durumun böyle olduğunu hayal etmiştim."
Belki açık sözlü olmak istemiyordu, belki sinir bozucu muhatabından kurtulmak istiyordu. Ama hayal etmesi zor Einstein'ın keşfettiği zaman, uzay ve hız arasındaki bağlantı fikri doğuştandı.
Hayır, elbette, önce şimşek kadar parlak bir tahmin aklıma geldi. Daha sonra gelişimi başladı. Hayır, bilinen olaylarla hiçbir çelişki yoktur. Ve sonra formüllerle dolu o beş sayfa ortaya çıktı ve dergide yayınlandı. fiziksel günlük. Açılan sayfalar yeni Çağ fizikte.
Uzayda uçan bir yıldız gemisi hayal edin. Hemen uyaralım: Uzay gemisi çok özel, bahsettiğiniz geminin aynısı. fantastik hikayeler okumadım. Uzunluğu 300 bin kilometre, hızı ise 240 bin km/sn diyelim. Ve bu uzay gemisi, uzaydaki ara platformlardan birinin yanından hiç durmadan uçuyor. Son hızla.
Yolcularından biri yıldız gemisinin güvertesinde elinde bir saatle duruyor. Ve sen ve ben, okuyucu, bir platformun üzerinde duruyoruz - uzunluğu yıldız gemisinin boyutuna, yani 300 bin kilometreye karşılık gelmelidir, çünkü aksi takdirde üzerine inemeyecektir. Ayrıca elimizde bir de saat var.
Farkına vardık: O anda, uzay gemisinin burnu platformumuzun arka kenarına ulaştığında, üzerinde bir fener parlayarak onu çevreleyen alanı aydınlattı. Bir saniye sonra ışık huzmesi platformumuzun ön kenarına ulaştı. Bundan hiç şüphemiz yok, çünkü ışığın hızını biliyoruz ve saatte buna karşılık gelen anı doğru bir şekilde tespit etmeyi başardık. Ve yıldız gemisinde...
Ancak bir yıldız gemisi de ışık huzmesine doğru uçuyordu. Ve platformun ortasına yakın bir yerdeyken ışığın kıç tarafını aydınlattığını kesinlikle gördük. Işık huzmesinin geminin pruvasından kıç tarafına kadar 300 bin kilometre yol kat etmediğini mutlaka gördük.
Ancak yıldız gemisinin güvertesindeki yolcular başka bir şeyden emindir. Kirişlerinin pruvadan kıç tarafına kadar 300 bin kilometrelik mesafenin tamamını kat ettiğinden eminler. Sonuçta, bunun için tam bir saniye harcadı. Bunu da nöbetlerinde kesinlikle doğru bir şekilde tespit ettiler. Aksi nasıl olabilir ki: Sonuçta ışığın hızı kaynağın hızına bağlı değildir...
Nasıl yani? Biz sabit bir platformdan bir şey görüyoruz ve onlar bir yıldız gemisinin güvertesinde başka bir şey mi görüyorlar? Sorun ne?
Einstein'ın görelilik teorisi
Hemen belirtmek gerekir: Einstein'ın görelilik teorisi ilk bakışta, dünyanın yapısına ilişkin yerleşik anlayışımızla kesinlikle çelişiyor. Temsil etmeye alıştığımız için sağduyuya da aykırı olduğunu söyleyebiliriz. Bu, bilim tarihinde birden fazla kez yaşandı.
Ancak Dünya'nın küresel şeklinin keşfi aynı zamanda sağduyuyla da çelişiyordu. Nasıl yaşayabilirler? ters taraf insanlar uçuruma düşmüyor mu?
Bizim için Dünya'nın küreselliği tartışılmaz bir gerçektir ve bakış açısından sağduyu bunun dışındaki herhangi bir varsayım anlamsız ve vahşidir. Ancak kendi zamanınızdan bir adım geriye gidin, bu fikrin ilk ortaya çıkışını hayal edin ve kabullenmenin ne kadar zor olduğu açıkça ortaya çıkar.
Peki, Dünya'nın hareketsiz olmadığını, yörüngesi boyunca bir gülleden onlarca kat daha hızlı uçtuğunu kabul etmek daha mı kolay olur?
Bunların hepsi sağduyunun başarısızlıklarıydı. Bu yüzden modern fizikçiler asla ona değinmeyin.
Şimdi özel görelilik teorisine dönelim. Dünya onu ilk kez 1905'te çok az kişinin imzaladığı bir makaleden tanıdı. ünlü isim- Albert Einstein. Ve o zamanlar sadece 26 yaşındaydı.
Einstein bu paradokstan çok basit ve mantıklı bir varsayımda bulundu: platformdaki bir gözlemcinin bakış açısından, hareket halindeki bir vagonda kol saatiniz tarafından ölçülenden daha az zaman geçmiştir. Vagonda zamanın akışı, sabit platformdaki zamana kıyasla daha yavaştı.
Bu varsayımdan mantıksal olarak kesinlikle şaşırtıcı şeyler çıktı. Tramvayda çalışmaya giden bir kişinin, aynı yolda yürüyen bir yayaya göre hem hızdan dolayı zaman tasarrufu sağladığı, hem de daha yavaş gittiği ortaya çıktı.
Ancak ebedi gençliği bu şekilde korumaya çalışmayın: Tramvay şoförü olsanız ve hayatınızın üçte birini tramvayda geçirseniz bile 30 yılda pek kazanç elde edemezsiniz. bir milyondan fazla saniyenin yarısı. Zaman kazancının farkedilebilmesi için ışık hızına yakın bir hızda hareket etmeniz gerekiyor.
Vücutların hızındaki artışın kütlelerine yansıdığı ortaya çıktı. Nasıl daha yakın hız cisim ışık hızına çıkarsa kütlesi o kadar büyük olur. Bir cismin hızı ışık hızına eşit olduğunda kütlesi sonsuza eşittir, yani Dünya'nın, Güneş'in, Galaksi'nin, tüm Evrenimizin kütlesinden daha büyüktür... Bu, basit bir parke taşı üzerinde yoğunlaşıp onu hızlandırmak
Sveta!
Bu, herhangi bir maddi cismin hız geliştirmesine izin vermeyen bir sınırlama getirir, hıza eşit Sveta. Sonuçta kütle büyüdükçe onu hızlandırmak giderek zorlaşıyor. Ve sonsuz bir kütle hiçbir kuvvetle yerinden oynatılamaz.
Ancak doğa, bütün bir parçacık sınıfı için bu yasaya çok önemli bir istisna getirmiştir. Örneğin fotonlar için. Işık hızında hareket edebilirler. Daha doğrusu başka bir hızda hareket edemezler. Hareketsiz bir fotonun hayal edilmesi düşünülemez.
Durağan haldeyken kütlesi yoktur. Nötrinoların da bir dinlenme kütlesi yoktur ve aynı zamanda evrenimizde mümkün olan en yüksek hızda, ışığı yakalamadan veya onun arkasına düşmeden uzayda sonsuza kadar kontrolsüz bir şekilde uçmaya mahkumdurlar.
Özel görelilik teorisinin saydığımız sonuçlarının her birinin şaşırtıcı ve paradoksal olduğu doğru değil mi? Ve elbette her biri “sağduyuya” aykırıdır!
Ancak ilginç olan şu: spesifik biçimleriyle değil, geniş bir felsefi konum olarak, tüm bu şaşırtıcı sonuçlar diyalektik materyalizmin kurucuları tarafından tahmin edilmişti. Bu sonuçlar neyi gösteriyor? Hareket eden bir nesnenin enerji ile kütlesini, kütle ile hızı, hız ile zamanı, hız ile uzunluğunu birbirine bağlayan bağlantılar hakkında...
Einstein'ın çimento (daha fazla ayrıntı:), takviyeleri veya temel taşlarını birbirine bağlaması gibi karşılıklı bağımlılığı keşfetmesi, daha önce birbirinden bağımsız görünen şeyleri ve olguları bir araya getirdi ve bilim tarihinde ilk kez üzerinde temellerin atıldığı temeli oluşturdu. uyumlu bir bina inşa etmek mümkün görünüyordu. Bu bina Evrenimizin nasıl çalıştığına dair bir fikirdir.
Ama önce yine Albert Einstein'ın yarattığı genel görelilik teorisi hakkında en azından birkaç kelime.
Albert Einstein Bu isim genel teori görelilik - ilgili teorinin içeriğine tam olarak uymuyor konuşacağız. Uzay ve madde arasındaki karşılıklı bağımlılığı kurar. Öyle demek daha doğru olur herhalde uzay-zaman teorisi, veya yerçekimi teorisi.
Ancak bu isim Einstein'ın teorisiyle o kadar iç içe geçmiş durumda ki, onun yerine başka bir isim konulması sorununu gündeme getirmek bile artık birçok bilim insanına uygunsuz görünüyor.
Genel görelilik teorisi, madde ile onu içeren zaman ve uzay arasındaki karşılıklı bağımlılığı kurdu. Uzay ve zamanın maddeden ayrı olarak düşünülemeyeceği, özelliklerinin de onları dolduran maddeye bağlı olduğu ortaya çıktı.
Akıl yürütmenin başlangıç noktası
Bu nedenle yalnızca belirtebiliriz başlangıç noktası ve bazı önemli sonuçlar sunuyoruz.
Başta uzay yolculuğu Beklenmedik bir felaket, uzayda uçan insanların kütüphanesini, film koleksiyonunu ve diğer zihin ve hafıza depolarını yok etti. Ve asırların değişmesiyle yerli gezegenin doğası unutuldu. Evrensel çekim yasası bile unutuldu çünkü roket galaksiler arası uzayda uçuyor ve neredeyse hiç hissedilmiyor.
Ancak geminin motorları harika çalışıyor ve akülerdeki enerji kaynağı neredeyse sınırsız. En Zamanla gemi ataletle hareket eder ve sakinleri ağırlıksızlığa alışır. Ancak bazen motorları çalıştırıp geminin hareketini yavaşlatıyor veya hızlandırıyorlar. Jet nozulları renksiz bir alevle boşluğa parladığında ve gemi daha hızlı hareket ettiğinde, sakinler vücutlarının ağırlaştığını hissederler, koridorlarda uçmak yerine geminin etrafında yürümek zorunda kalırlar.
Ve artık uçuş tamamlanmaya yakın. Gemi yıldızlardan birine uçuyor ve en uygun gezegenin yörüngesine düşüyor. Uzay gemileri dışarı çıkıyor, taze yeşilliklerle kaplı toprakta yürüyor, sürekli olarak aynı ağırlık hissini yaşıyor, geminin hızlı bir şekilde hareket ettiği zamandan tanıdık geliyor.
Ancak gezegen eşit şekilde hareket ediyor. Onlara doğru uçamaz Sabit hızlanma z 9,8 m/sn2! Ve yerçekimi alanının (yerçekimi kuvveti) ve ivmenin aynı etkiyi verdiği ve belki de ortak bir yapıya sahip olduğu yönünde ilk varsayıma sahipler.
Dünyalı çağdaşlarımızın hiçbiri bu kadar uzun bir uçuşta değildi, ancak çoğu vücutlarında "ağırlık" ve "hafifleşme" olgusunu hissetti. Sıradan bir asansör bile yüksek hızda hareket ettiğinde bu hissi yaratır. İndikçe hissedersin ani kayıp ağırlık kaldırırken, tam tersine, zemin ayaklarınıza normalden daha büyük bir kuvvetle baskı yapar.
Ancak tek bir his hiçbir şeyi kanıtlamaz. Sonuçta duyular bizi Güneş'in hareketsiz Dünya'nın etrafında gökyüzünde hareket ettiğine, tüm yıldızların ve gezegenlerin bizden aynı mesafede, gökkubbede vb. olduğuna ikna etmeye çalışıyor.
Bilim insanları duyulara maruz kaldı deneysel test. Newton aynı zamanda iki olgunun tuhaf özdeşliği üzerine de düşündü. Onlara sayısal özellikler vermeye çalıştı. Yerçekimini ölçtükten sonra değerlerinin her zaman birbirine kesinlikle eşit olduğuna ikna oldu.
Pilot tesisin sarkaçlarını her türlü malzemeden yaptı: gümüş, kurşun, cam, tuz, tahta, su, altın, kum, buğday. Sonuç aynıydı.
Denklik ilkesi bahsettiğimiz genel görelilik teorisinin temeli olmasına rağmen modern yorum teorinin artık bu prensibe ihtiyacı yok. Bu prensipten çıkan matematiksel sonuçları atlayarak doğrudan genel görelilik teorisinin bazı sonuçlarına geçelim.
Kullanılabilirlik büyük kitleler madde çevredeki alanı büyük ölçüde etkiler. Mekanın heterojenliği olarak tanımlanabilecek türden değişikliklere yol açmaktadır. Bu homojensizlikler, kendilerini çeken cismin yakınında bulan kitlelerin hareketini yönlendirir.
Genellikle bu benzetmeye başvuruyorlar. Dünya yüzeyine paralel bir çerçeveye sıkıca gerilmiş bir tuval hayal edin. Üzerine ağır bir ağırlık koyun. Bu bizim büyük çekici kitlemiz olacak. Elbette tuvali bükecek ve bir tür çöküntüyle sonuçlanacak. Şimdi topu, yolunun bir kısmı çeken kütlenin yanında olacak şekilde bu tuval boyunca yuvarlayın. Topun nasıl fırlatıldığına bağlı olarak üç olası seçenek vardır.
- Top, tuvalin sapmasının yarattığı çöküntüden yeterince uzağa uçacak ve hareketini değiştirmeyecektir.
- Top çöküntüye dokunacak ve hareketinin çizgileri çeken kütleye doğru bükülecektir.
- Top bu deliğe düşecek, oradan çıkamayacak ve çekim yapan kütlenin etrafında bir veya iki tur atacaktır.
Üçüncü seçeneğin, bir yıldızın veya gezegenin dikkatsizce çekim alanına doğru uçan yabancı bir cismi yakalamasını çok güzel modellediği doğru değil mi?
İkinci durum ise, daha büyük bir hızla uçan bir cismin yörüngesinin bükülmesidir. olası hız esir almak! İlk durum, yerçekimi alanının pratik erişiminin ötesine uçmaya benzer. Evet, kesinlikle pratik çünkü teorik olarak çekim alanı sınırsızdır.
Elbette bu çok uzak bir benzetmedir, çünkü hiç kimse bizim yönümüzün sapmasını gerçekten hayal edemez. üç boyutlu uzay. Neyin içinde fiziksel anlam Sık sık söylendiği gibi bu sapmayı veya eğriliği kimse bilmiyor.
Genel görelilik teorisinden, herhangi bir maddi cismin yerçekimi alanında yalnızca eğri çizgiler boyunca hareket edebileceği sonucu çıkar. Sadece özel olarak özel durumlar eğri düz bir çizgiye dönüşür.
Bir ışık ışını da bu kurala uyar. Sonuçta uçuş halindeyken belli bir kütleye sahip fotonlardan oluşuyor. Ve yerçekimi alanı tıpkı bir molekül, bir asteroit veya bir gezegen üzerinde olduğu gibi onun üzerinde de etkisini gösterir.
Bir diğer önemli sonuç yerçekimi alanının aynı zamanda zamanın akışını da değiştirmesidir. Büyük bir çekici kütlenin yakınında, yarattığı güçlü çekim alanı içinde, zamanın geçişi ondan uzağa göre daha yavaş olmalıdır.
Görüyorsunuz, genel görelilik teorisi, "sağduyu" hakkındaki düşüncelerimizi bir kez daha alt üst edebilecek paradoksal sonuçlarla dolu!
Yerçekimi çöküşü
Hadi hakkında konuşalım inanılmaz fenomen Kozmik bir karaktere sahip olan kütleçekimsel çöküş (yıkıcı sıkışma) ile ilgilidir. Bu fenomen şu durumlarda meydana gelir: dev kümeler Yerçekimi kuvvetlerinin, doğada var olan başka hiçbir kuvvetin onlara karşı koyamayacağı kadar büyük büyüklüklere ulaştığı madde.
Newton'un ünlü formülünü hatırlayın: Yerçekimi kuvveti ne kadar büyük olursa, kütle de o kadar büyük olur. daha az kare yerçekimi cisimleri arasındaki mesafeler. Dolayısıyla bir maddi oluşum ne kadar yoğun olursa, boyutu ne kadar küçük olursa, yerçekimi kuvvetleri o kadar hızlı artar ve yıkıcı kucaklaşmaları da o kadar kaçınılmaz olur.
Doğanın, maddenin görünüşte sınırsız sıkıştırılmasına karşı mücadele ettiği kurnaz bir teknik var. Bunu yapmak için, süperdev yerçekimi kuvvetlerinin etki alanında zamanın geçişini durdurur ve bağlı madde kütleleri, garip bir uyuşuk uykuda donmuş, Evrenimizden kesilmiş gibi görünür.
Uzaydaki bu “kara deliklerin” ilki muhtemelen zaten keşfedilmiştir. Sovyet bilim adamları O. Khuseinov ve A. Sh.'nin varsayımına göre, İkizler deltasıdır. çift yıldız görünmez bir bileşenle.
Görünür bileşenin kütlesi 1,8 güneş kütlesine sahip ve hesaplamalara göre onun görünmez "arkadaşının" görünür olandan dört kat daha büyük olması gerekiyor. Ancak hiçbir iz yok: Doğanın en muhteşem yaratımı olan “kara deliği” görmek mümkün değil.
Sovyet bilim adamı profesörü K. P. Stanyukovich, dedikleri gibi, "kalemin ucunda", tamamen teorik yapılar"donmuş madde" parçacıklarının boyutlarının çok çeşitli olabileceğini gösterdi.
- Galaksimizin 100 milyar yıldızının tamamının yaydığı kadar enerjiyi sürekli olarak yayan, kuasarlara benzer dev oluşumların olması mümkündür.
- Yalnızca birkaç güneş kütlesine eşit olan çok daha mütevazı kümeler mümkündür. Her iki nesne de sıradan, uyumayan maddeden kendiliğinden ortaya çıkabilir.
- Ve kütle açısından temel parçacıklarla karşılaştırılabilir, tamamen farklı bir sınıfın oluşumları mümkündür.
Bunların ortaya çıkması için, onları oluşturan maddenin önce devasa bir basınca maruz kalması ve dışarıdan bir gözlemci için zamanın tamamen durduğu Schwarzschild küresinin sınırlarına itilmesi gerekir. Ve bundan sonra basınç kaldırılsa bile, zamanın durduğu parçacıklar Evrenimizden bağımsız olarak var olmaya devam edecektir.
Plankeonlar
Plankeonlar - kesinlikle Özel sınıf parçacıklar. K. P. Stanyukovich'e göre son derece ilginç özellik: Maddeyi milyonlarca ve milyarlarca yıl önceki haliyle değişmeden taşır. Plankeonun içine baktığımızda, maddenin Evrenimizin doğuş anındaki halini görebilecektik. Teorik hesaplamalara göre Evrende yaklaşık 10 80 plankeon vardır; bir kenarı 10 santimetre olan bir uzay küpünde yaklaşık bir plankeon vardır. Bu arada, Stanyukovich ile eşzamanlı olarak ve (ondan bağımsız olarak) plankeonlarla ilgili hipotez Akademisyen M.A. Markov tarafından ortaya atıldı. Onlara yalnızca Markov farklı bir isim verdi - maximonlar.
Temel parçacıkların bazen paradoksal olan dönüşümleri, plankeonların özel özellikleri kullanılarak açıklanmaya çalışılabilir. İki parçacık çarpıştığında hiçbir zaman parçaların oluşmadığı, ancak diğerlerinin ortaya çıktığı bilinmektedir. temel parçacıklar. Bu gerçekten şaşırtıcı: sıradan bir dünya Bir vazoyu kırarak asla bütün bardakları, hatta rozetleri elde edemeyiz. Ancak her temel parçacığın derinliklerinde bir veya daha fazla plankeon ve bazen de birçok plankeon saklı olduğunu varsayalım.
Parçacıkların çarpışması anında, plankeonun sıkıca bağlı "torbası" hafifçe açılır, bazı parçacıklar içine "düşecek" ve bunun karşılığında, çarpışma sırasında ortaya çıktığını düşündüğümüz parçacıklar "dışarı çıkacak". Aynı zamanda plankeon, basiretli bir muhasebeci gibi, temel parçacıklar dünyasında kabul edilen tüm "korunum yasalarını" sağlayacaktır.
Peki evrensel çekim mekanizmasının bununla ne ilgisi var?
K. P. Stanyukovich'in hipotezine göre yerçekiminden "sorumlu", temel parçacıklar tarafından sürekli olarak yayılan, graviton adı verilen küçük parçacıklardır. Gravitonlar ikincisinden, dans eden bir toz zerresi kadar küçüktür. güneş ışını, küreden daha küçüktür.
Gravitonların emisyonu bir takım kanunlara tabidir. Özellikle uzayın o bölgesine daha kolay uçuyorlar. Daha az graviton içeren. Bu şu anlama gelir: eğer uzayda iki tane varsa gök cisimleri Her ikisi de ağırlıklı olarak "dışarıya", birbirine zıt yönlerde gravitonlar yayacaktır. Bu, bedenlerin birbirine yaklaşmasına ve birbirini çekmesine neden olan bir dürtü yaratır.
Gravitonlar temel parçacıklarını bırakarak kütlenin bir kısmını da beraberlerinde götürürler. Ne kadar küçük olursa olsun, kütle kaybının zamanla fark edilmesi mümkün değildir. Ancak bu sefer hayal edilemeyecek kadar büyük. Evrendeki tüm maddenin çekim alanına dönüşmesi yaklaşık 100 milyar yıl alacaktır.
Ama hepsi bu mu? K.P. Stanyukovich'e göre madde kütlesinin yaklaşık yüzde 95'i çeşitli boyutlardaki plankeonlarda gizlidir ve uyuşuk bir uyku halindedir, ancak zamanla plankeonlar açılır ve "normal" madde miktarı artar.