Gravita je nejmocnější síla ve vesmíru, jeden ze čtyř základních základů vesmíru, který určuje jeho strukturu. Jednou díky ní vznikly planety, hvězdy a celé galaxie. Dnes udržuje Zemi v oběžné dráze na své nekonečné cestě kolem Slunce.
Přitažlivost má velký význam pro každodenní život člověka. Díky této neviditelné síle proudí oceány našeho světa, potoky proudí, dešťové kapky padnou na zem. Od dětství cítíme váhu našeho těla a okolních objektů. Vliv gravitace na naši ekonomickou aktivitu je obrovský.
První teorie gravitace byla vytvořena Isaacem Newtonem na konci 17. století. Jeho zákon po celém světě popisuje tuto interakci v rámci klasické mechaniky. Širší tento fenomén popsal Einstein v jeho obecné teorii relativity, která byla vydána na počátku minulého století. Procesy, které se vyskytují se silou elementárních částic, by měly vysvětlit kvantovou teorii gravitace, ale dosud nebyly vytvořeny.
Dnes víme o povaze gravitace mnohem víc než v době Newtonu, ale navzdory staletým studiím stále zůstává skutečným úskokem moderní fyziky. Ve stávající teorii gravitace existuje mnoho bílých skvrn a my stále přesně nepochopíme, co to způsobuje, a jak se tato interakce přenáší. A samozřejmě jsme velmi daleko od toho, abychom mohli ovládat sílu gravitace, takže proti gravitaci nebo levitaci bude existovat již dlouho na stránkách sci-fi románů.
Co padlo na Newtonovu hlavu?
Lidé přemýšleli o povaze síly, která přitahuje předměty na zem po celou dobu, ale Isaac Newton zvládl zvednout závoj tajemství až v sedmnáctém století. Základem jeho průlomu byly práce Keplera a Galilea - brilantní vědci, kteří studovali pohyby nebeských těles.
Druhé a půl století před Newtonovým zákonem světa polský astronom Copernicus věřil, že přitažlivost je "... nic jiného než přirozená tendence, s jakou otec vesmíru daroval všechny částice, a to spojit se do jednoho celku, vytvářet sférické těla." Descartes považoval přitažlivost jako důsledek narušení světového éteru. Řecký filozof a vědec Aristotle byl přesvědčen, že hmota ovlivňuje rychlost pádu těl. A pouze Galileo Galilei na konci století XVI. Prokázal, že to není pravda: pokud neexistuje odpor vzduchu, všechny objekty jsou zrychleny stejným způsobem.
Na rozdíl od společné legendy o hlavě a jablku, Newton šel na pochopení povahy gravitace více než dvacet let. Jeho zákon gravitace je jedním z nejvýznamnějších vědeckých objevů všech dob a národů. Je univerzální a umožňuje vypočítat trajektorie nebeských těles a přesně popisuje chování objektů kolem nás. Klasická teorie nebe položila základy nebeské mechaniky. Newtonovy tři zákony daly vědcům příležitost objevit nové planety doslova "na špičce pera", koneckonců díky němu člověk dokázal překonat zemskou gravitaci a letět do vesmíru. Přinesli přísnou vědeckou základnu pod filozofickou koncepcí hmotné jednoty vesmíru, ve kterém jsou všechny přírodní jevy propojeny a řízeny obecnými fyzickými pravidly.
Newton nejen zveřejnil vzorec pro výpočet síly, který přitahuje těla k sobě, ale vytvořil kompletní model, který zahrnoval také matematickou analýzu. Tyto teoretické závěry byly opakovaně potvrzeny v praxi, včetně používání nejmodernějších metod.
V Newtonovské teorii vytváří jakýkoli materiálový objekt pole přitažlivosti, které se nazývá gravitační. Síla je navíc úměrná hmotnosti obou těles a nepřímo úměrná jejich vzájemné vzdálenosti:
F = (G m1 m2) / r2
G je gravitační konstanta, která je 6,67 × 10-11 m³ / (kg · s²). Nejprve dokázal vypočítat Henry Cavendish v roce 1798.
V každodenním životě a v aplikovaných disciplínách je síla, se kterou tato země přitahuje tělo, označována jako její váha. Přitažlivost mezi jakýmikoli dvěma hmotnými objekty ve vesmíru je to, co gravitace je v jednoduchých slovech.
Síla přitažlivosti je nejslabší ze čtyř základních interakcí fyziky, ale díky svým vlastnostem je schopna regulovat pohyb hvězdných systémů a galaxií:
- Přitažlivost funguje v jakékoliv vzdálenosti, to je hlavní rozdíl mezi gravitací a silnými a slabými jadernou interakcí. S rostoucí vzdáleností se jeho působení snižuje, ale nikdy se nuluje, takže můžeme říci, že i dva atomy na různých koncích galaxie mají vzájemný účinek. Je to jen velmi malý;
- Gravitace je univerzální. Oblast přitažlivosti je neodmyslitelná v každém hmotném těle. Vědci dosud na naší planetě ani ve vesmíru objevili objekt, který by se nezúčastnil interakce tohoto typu, takže úloha gravitace v životě Vesmíru je obrovská. To se liší od elektromagnetické interakce, jejíž účinek na vesmírné procesy je minimální, protože v podstatě většina těles je elektricky neutrální. Gravitační síly nelze omezit nebo prověřovat;
- Působí nejen na hmotu, ale také na energii. Pro něj chemické složení objektů nezáleží, jen hraje roli jejich hmotnost.
Pomocí formulace Newtonu lze snadno vypočítat sílu přitažlivosti. Například gravitace na Měsíci je několikrát menší než na Zemi, protože naše družice má poměrně malou hmotnost. Ale stačí, aby se v oceánech vytvářely pravidelné přívaly a toky. Na Zemi je zrychlení volného pádu přibližně 9,81 m / s2. A u tyčí je poněkud větší než na rovníku.
Navzdory obrovskému významu pro další rozvoj vědy měly Newtonovy zákony řadu slabých míst, které vědcům nezůstaly. Nebylo jasné, jak gravitace působí naprosto prázdným prostorem na obrovské vzdálenosti a nepředstavitelnou rychlostí. Navíc se začaly postupně shromažďovat data, která odporují Newtonovým zákonům: například gravitační paradox nebo posunutí perihelií Merkura. Je zřejmé, že teorie univerzální agrese vyžaduje vylepšení. Tato čest připadla losu brilantního německého fyziků Alberta Einsteina.
Atrakce a teorie relativity
Newtonovo odmítnutí diskutovat o povaze gravitace ("nevymýšlím hypotézy") bylo zjevnou slabostí jeho koncepce. Není divu, že v následujících letech se objevilo mnoho teorie gravitace.
Většina z nich patřila k takzvaným hydrodynamickým modelům, které se snažily ospravedlnit vznik mechanické interakce hmotných předmětů s nějakou mezilehlou látkou, která má určité vlastnosti. Vědci ji nazývali odlišně: "vakuum", "éter", "gravitonový tok" atd. V tomto případě vznikla síla přitažlivosti mezi těly v důsledku změny této látky, když byla absorbována objekty nebo průhlednými toky. Ve skutečnosti všechny takové teorie měly jednu vážnou nevýhodu: spíše přesně předpovídaly závislost gravitační síly na vzdálenosti, musely vést k zpomalení těl, které se pohybovaly ve vztahu k "éteru" nebo "gravitonovému toku".
Einstein přistoupil k tomuto problému z jiného hlediska. Ve své obecné teorii relativity (GTR) se gravitace nepovažuje za interakci sil, nýbrž za vlastnost samotného prostoru. Jakýkoliv objekt s hmotou vede k jeho zakřivení, což způsobuje přitažlivost. V tomto případě je gravitační geometrický efekt, který je zvažován v rámci neeuklidovské geometrie.
Jednoduše řečeno, prostorově-časové kontinuum ovlivňuje hmotu a způsobuje její pohyb. A to naopak ovlivňuje prostor, "ukazuje" mu, jak se má ohýbat.
Síly přitažlivosti působí v mikrokosmu, ale na úrovni elementárních částic je jejich vliv ve srovnání s elektrostatickou interakcí zanedbatelný. Fyzici věří, že gravitační interakce nebyla v prvních okamžicích (10-43 sekund) horší než ostatní. Po Velkém třesku.
V současné době je koncept gravitace, navržený v obecné teorii relativity, hlavní pracovní hypotéza přijatá většinou vědecké komunity a potvrzená výsledky mnoha experimentů.
Einstein ve své práci předpovídal úžasné účinky gravitačních sil, z nichž většina byla již potvrzena. Například možnost masivních těl ohýbat světelné paprsky a dokonce zpomalit průchod času. Tento fenomén je nutně zohledněn při provozu globálních družicových navigačních systémů, jako je GLONASS a GPS, jinak by v několika dnech jejich chyba byla desítky kilometrů.
Kromě toho důsledkem Einsteinovy teorie jsou takzvané jemné účinky gravitace, jako je gravitační magnetické pole a setrvačnost inerciálních referenčních systémů (také známý jako efekt Lense-Thirring). Tyto projevy síly jsou tak slabé, že po dlouhou dobu nemohly být odhaleny. Teprve v roce 2005, díky jedinečné misi Gravity Probe B NASA, byl potvrzen efekt Lense-Thirring.
Gravitační záření nebo nejzákladnější objev posledních let
Gravitační vlny jsou oscilace geometrické vesmírné-časové struktury, šířící se rychlostí světla. Existence tohoto jevu Einstein předpovídala také v obecné relativitě, ale vzhledem k slabosti síly je jeho velikost velmi malá, a proto ji nebylo možné dlouho odhalit. Pouze nepřímé důkazy prohlásily existenci radiace.
Takové vlny vytvářejí jakékoli hmotné objekty pohybující se asymetrickým zrychlením. Vědci je popisují jako "vesmírné časové vlny". Nejmocnějšími zdroji takového záření jsou kolizní galaxie a kolapsy, které se skládají ze dvou objektů. Typickým příkladem posledního případu je fúze černých děr nebo neutronových hvězd. V těchto procesech může gravitační záření projít více než 50% celkové hmotnosti systému.
Gravitační vlny byly poprvé objeveny v roce 2015 pomocí dvou observatoří LIGO. Téměř okamžitě tato událost obdržela stav největšího objevu ve fyzice v posledních desetiletích. V roce 2017 mu byla udělena Nobelova cena. Poté byli vědci několikrát schopni opravit gravitační záření.
V 70. letech minulého století - dávno před experimentálním potvrzením - vědci navrhli použití gravitačního záření k dálkové komunikaci. Jeho nespornou výhodou je vysoká schopnost procházet jakoukoliv látkou bez absorbování. Ale v současné době je to jen těžko možné, protože při generování a přijímání těchto vln jsou obrovské obtíže. Ano, a skutečné znalosti o povaze gravitace nestačí.
Dnes existuje několik instalací v různých zemích po celém světě, podobně jako LIGO a nové jsou stavěny. Je pravděpodobné, že se v blízké budoucnosti dozvíme více o gravitačním záření.
Alternativní teorie světové rozšíření a důvody jejich vytvoření
V současné době je dominantní koncept gravitace GR. Souhlasí s celým stávajícím množstvím experimentálních dat a pozorování. Současně má velké množství zjevně slabých míst a kontroverzních bodů, proto se pokusy o vytvoření nových modelů vysvětlujících povahu gravitace nezastaví.
Všechny teorie celosvětového vnímání, které byly dosud vyvinuty, lze rozdělit do několika hlavních skupin:
- standard;
- alternativa;
- kvantum;
- teorie jednoho pole.
Pokusy o vytvoření nového konceptu po celém světě byly provedeny v 19. století. Různí autoři zahrnovali éter nebo korpuskulární teorii světla. Příchod GR však ukončil tyto zkoumání. Po jeho publikování se změnil cíl vědců - jejich úsilí bylo nyní zaměřeno na zlepšení modelu Einstein, včetně nových přírodních jevů: zadní část částic, expanze vesmíru atd.
Počátkem osmdesátých let fyzikové experimentálně odmítli všechny koncepty, s výjimkou těch, které zahrnovaly GTR jako nedílnou součást. V této době přišel do módy "string teorie", která vypadala velmi slibně. Ale zkušené potvrzení těchto hypotéz nebylo nalezeno. V posledních desetiletích dosáhla věda významných výšek a získala řadu empirických údajů. Dnes pokusy o vytvoření alternativních teorií gravitace jsou inspirovány především kosmologickým výzkumem souvisejícím s takovými pojmy jako "temná hmota", "inflace", "temná energie".
Jednou z hlavních úkolů moderní fyziky je sjednocení dvou základních směrů: kvantová teorie a obecná relativita. Vědci se snaží spojit přitažlivost s jinými typy interakcí a vytvořit tak "teorii všeho". To je přesně to, co dělá kvantová gravitace - větev fyziky, která se pokouší dát kvantový popis gravitační interakce. Větev tohoto směru je teorie smyčkové gravitace.
I přes aktivní a dlouhodobé úsilí dosud nebylo dosaženo tohoto cíle. A záležitost není dokonce ani v složitosti tohoto úkolu: prostě je základem kvantové teorie a GR zcela odlišné paradigmy. Kvantová mechanika pracuje s fyzickými systémy působícími na pozadí běžného časoprostoru. A v teorii relativity je samotný prostor-čas dynamickou složkou, v závislosti na parametrech klasických systémů, které jsou v něm.
Spolu s vědeckými hypotézami světa existují také teorie, které jsou daleko od moderní fyziky. Bohužel v posledních letech takový "opus" jen zaplavil internet a police knihkupectví. Někteří autoři takových děl obecně informují čtenáře o tom, že gravitace neexistuje a zákony Newtona a Einsteina jsou vynálezy a mystifikace.
Příkladem je dílo "vědce" Nikolaje Levášova, který tvrdí, že Newton nezjistil zákon světa a pouze planety a náš měsíc, měsíc, mají gravitační sílu ve sluneční soustavě. Důkaz tohoto "ruského vědce" vede zcela podivně. Jedním z nich je let americké sondy NEAR Shoemaker k asteroidu Eros, který se konal v roce 2000. Neexistence přitažlivosti mezi sondou a nebeským tělem Levasov považuje důkazy o falešnosti Newtonových děl a spiknutí fyziků, kteří skrývají pravdu o gravitaci od lidí.
Ve skutečnosti kosmická loď úspěšně dokončila své poslání: nejprve se dostala do orbity asteroidu a pak na měkkém povrchu přistála.
Umělá gravitace a proč je potřeba
Dvě pojmy jsou spojeny s gravitací, které jsou navzdory jejich současnému teoretickému postavení dobře známy široké veřejnosti. Tato antigravita a umělá gravitace.
Antigravita je proces, který působí proti síle gravitace, která ji může výrazně snížit nebo dokonce ji nahradit odpuzováním. Zvládnutí této technologie by vedlo ke skutečné revoluci v dopravě, letectví, průzkumu vesmíru a radikálně změnilo celý náš život. Ale v současné době ani možnost anti-gravitace nemá ani teoretické potvrzení. Navíc, na základě GTR, tento jev není vůbec možný, protože v našem Vesmíru nemůže být žádná negativní masa. Je možné, že se v budoucnu dozvíme více o gravitaci a naučíme se stavět na základě tohoto principu letadla.
Umělá gravitace je umělá změna stávající gravitační síly. Dnes tuto technologii nepotřebujeme, ale situace se určitě změní po začátku dlouhodobého cestování po vesmíru. A to je naše fyziologie. Lidské tělo, "zvyklé" miliony let evoluce na neustálou gravitaci Země, je extrémně negativní na účinky snížené gravitace. Dlouhodobý pobyt i v podmínkách měsíční gravitace (šestkrát slabší než v zemi) může mít smutné důsledky. Iluze přitažlivosti může být vytvořena pomocí jiných fyzických sil, jako je setrvačnost. Tyto možnosti jsou však složité a drahé. В настоящий момент искусственная гравитация не имеет даже теоретических обоснований, очевидно, что ее возможная практическая реализация - это дело весьма отдаленного будущего.
Сила тяжести - это понятие, известное каждому еще со школьной скамьи. Казалось бы, ученые должны были досконально исследовать этот феномен! Но гравитация так и остается глубочайшей тайной для современной науки. И это можно назвать прекрасным примером того, насколько ограничены знания человека о нашем огромном и замечательном мире.
