Ne samo najbolj skrivnostna sile narave, ampak tudi najmočnejši.
Človek na poti napredka
Zgodovinsko se je izkazalo, da Človek ko se premika naprej poti napredka obvladovali vse močnejše sile narave. Začel je, ko ni imel drugega kot palico stiskano v pesti in lastno telesno moč.
Toda bil je moder in je v svojo službo prinesel fizično moč živali ter jih tako udomačil. Konj je pospešil svoj tek, kamela je naredila prehodno puščavo, slon je naredil močvirno džunglo. Toda fizična moč tudi najmočnejših živali je v primerjavi z naravnimi silami neizmerno majhna.
Človek si je prvi podredil element ognja, a le v njegovih najbolj oslabljenih različicah. Sprva - dolga stoletja - je kot gorivo uporabljal le les - zelo nizkoenergijsko vrsto goriva. Nekoliko kasneje se je naučil uporabljati ta vir energije za uporabo energije vetra, človek je dvignil belo krilo jadra v zrak - in lahka ladja je poletela kot ptica čez valove.
Jadrnica na valovih
Lopatice mlina je izpostavil sunkom vetra – in težki kamni mlinskih kamnov so se začeli vrteti, pesti mlinčkov pa so začeli ropotati. Vsem pa je jasno, da energija zračnih curkov še zdaleč ni koncentrirana. Poleg tega sta se tako jadro kot mlin na veter bala udarcev vetra: neurje je trgalo jadra in potapljalo ladje, neurje je lomilo krila in prevračalo mline.
Še kasneje je človek začel osvajati tekoče vode. Kolo ni le najbolj primitivna naprava, ki lahko pretvori energijo vode v rotacijsko gibanje, ampak tudi najmanj zmogljiva v primerjavi z različnimi vrstami.
Človek je hodil vedno naprej po lestvici napredka in potreboval vedno več energije.
Začel je uporabljati nove vrste goriva - že prehod na kurjenje s premogom je povečal energijsko intenzivnost kilograma goriva z 2500 kcal na 7000 kcal - skoraj trikrat. Potem je prišel čas za nafto in plin. Energijska vsebnost vsakega kilograma fosilnega goriva se je ponovno povečala za eninpol do dvakrat.
Parni stroji so nadomestili parne turbine; mlinska kolesa so zamenjale hidravlične turbine. Nato je moški iztegnil roko do cepitvenega atoma urana. Toda prva uporaba nove vrste energije je imela tragične posledice – jedrski požar v Hirošimi leta 1945 je v nekaj minutah upepelil 70 tisoč človeških src.
Leta 1954 je začela delovati prva sovjetska jedrska elektrarna na svetu, ki je moč urana spremenila v sevalno silo električnega toka. In treba je vedeti, da kilogram urana vsebuje dva milijonkrat več energije kot kilogram najboljše nafte.
To je bil bistveno nov ogenj, ki bi ga lahko imenovali fizični, saj so fiziki preučevali procese, ki vodijo do rojstva tako bajnih količin energije.
Uran ni edino jedrsko gorivo. Uporablja se že močnejša vrsta goriva - vodikovi izotopi.
Na žalost si človek še ni mogel podrediti vodikovo-helijevega jedrskega plamena. Ve, kako za trenutek prižge svoj vsesplošni ogenj in sproži reakcijo v vodikovi bombi z bliskovito eksplozijo urana. Vse bližje pa znanstveniki vidijo tudi vodikov reaktor, ki bo kot posledica zlitja jeder vodikovih izotopov v jedra helija ustvaril električni tok.
Spet se bo količina energije, ki jo lahko človek vzame iz vsakega kilograma goriva, skoraj desetkrat povečala. Toda ali bo ta korak zadnji v prihajajoči zgodovini moči človeštva nad silami narave?
ne! Pred nami je obvladovanje gravitacijske oblike energije. Narava jo zapakira celo bolj preudarno kot celo energijo fuzije vodika in helija. Danes je to najbolj koncentrirana oblika energije, ki si jo človek sploh lahko predstavlja.
Tam se še ne vidi nič več, onkraj vrhunske znanosti. In čeprav lahko z gotovostjo trdimo, da bodo elektrarne delovale za ljudi, pretvarjale gravitacijsko energijo v električni tok (in morda v tok plina, ki uhaja iz šobe reaktivnega motorja, ali v načrtovano preoblikovanje vseprisotnih atomov silicija in kisika) v atome ultraredkih kovin), o podrobnostih takšne elektrarne (raketni motor, fizikalni reaktor) še ne moremo povedati ničesar.
Sila univerzalne gravitacije na začetku rojstva galaksij
Sila univerzalne gravitacije je v izvoru rojstva galaksij iz predzvezdne snovi, kot je prepričan akademik V.A. Ambarcumjan. Ugasne zvezde, ki so pregorele svoj čas, saj so porabile zvezdno gorivo, ki so jim ga dali ob rojstvu.
Poglejte okoli sebe: vse tukaj na Zemlji v veliki meri nadzoruje ta sila.
To je tisto, kar določa večplastno strukturo našega planeta - menjavo litosfere, hidrosfere in atmosfere. Ona je tista, ki drži debelo plast zračnih plinov, na dnu katere in zahvaljujoč kateri vsi obstajamo.
Brez gravitacije bi Zemlja takoj padla iz svoje orbite okoli Sonca, sama zemeljska obla pa bi razpadla, raztrgala bi jo centrifugalne sile. Težko je najti nekaj, kar ne bi bilo v eni ali drugi meri odvisno od sile univerzalne gravitacije.
Seveda si starodavni filozofi, zelo pozorni ljudje, niso mogli pomagati, da ne bi opazili, da se kamen, vržen navzgor, vedno vrne. Platon je v 4. stoletju pred našim štetjem to razložil z besedami, da vse snovi vesolja težijo tja, kjer je skoncentrirana večina podobnih snovi: vržen kamen pade na tla ali gre na dno, razlita voda pronica v najbližji ribnik ali v reka, ki si utira pot v morje, dim ognja drvi proti sorodnim oblakom.
Platonov učenec Aristotel je pojasnil, da imajo vsa telesa posebne lastnosti teže in lahkosti. Težka telesa - kamni, kovine - hitijo v središče vesolja, lahka telesa - ogenj, dim, hlapi - na obrobje. Ta hipoteza, ki pojasnjuje nekatere pojave, povezane s silo univerzalne gravitacije, obstaja že več kot 2 tisoč let.
Znanstveniki o sili univerzalne gravitacije
Verjetno prvi, ki je postavil vprašanje sila univerzalne gravitacije resnično znanstveno je bil genij renesanse - Leonardo da Vinci. Leonardo je razglasil, da gravitacija ni značilna samo za Zemljo, da obstaja veliko težišč. Izrazil je tudi idejo, da je sila gravitacije odvisna od razdalje do težišča.
Dela Kopernika, Galileja, Keplerja, Roberta Hooka so vse bolj približevala idejo zakona univerzalne gravitacije, vendar je ta zakon v svoji končni formulaciji za vedno povezan z imenom Isaaca Newtona.
Isaac Newton o sili univerzalne gravitacije
Rojen 4. januarja 1643. Diplomiral je na Univerzi v Cambridgeu, postal diplomant, nato magister znanosti.
Isaac Newton Vse, kar sledi, je neskončno bogastvo znanstvenega dela. Toda njegovo glavno delo je "Matematični principi naravne filozofije", objavljen leta 1687 in se običajno imenuje preprosto "Principi". V njih je formulirano veliko. Verjetno se ga vsi spomnijo še iz srednje šole.
Vsa telesa se privlačijo s silo, ki je premosorazmerna zmnožku mas teh teles in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njimi...
Nekatera določila te formulacije so bila sposobna predvideti Newtonove predhodnike, vendar je še nikomur ni uspelo doseči v celoti. Potreben je bil Newtonov genij, da je te drobce sestavil v eno celoto, da bi gravitacijo Zemlje razširil na Luno in Sonca na celoten planetarni sistem.
Iz zakona univerzalne gravitacije je Newton izpeljal vse zakone gibanja planetov, ki jih je pred tem odkril Kepler. Izkazalo se je, da so preprosto njegove posledice. Še več, Newton je pokazal, da niso samo Keplerjevi zakoni, ampak tudi odstopanja od teh zakonov (v svetu treh ali več teles) posledica univerzalne gravitacije ... To je bil velik triumf znanosti.
Zdelo se je, da je končno odkrita in matematično opisana glavna sila narave, ki premika svetove, sila, ki nadzoruje molekule zraka, jabolka in Sonce. Korak, ki ga je naredil Newton, je bil velikanski, neizmerno velik.
Prvi popularizator del briljantnega znanstvenika, francoski pisatelj François Marie Arouet, svetovno znan pod psevdonimom Voltaire, je dejal, da je Newton ob pogledu na padajoče jabolko nenadoma spoznal obstoj zakona, poimenovanega po njem.
Sam Newton tega jabolka ni nikoli omenil. In danes ni vredno izgubljati časa, da bi ovrgli to lepo legendo. In očitno je Newton z logičnim sklepanjem spoznal veliko moč narave. Verjetno je bilo to vključeno v ustrezno poglavje "Začetki".
Sila univerzalne gravitacije vpliva na let jedra
Predpostavimo, da smo na zelo visoki gori, tako visoki, da njen vrh ni več v atmosferi, namestili velikansko topniško orožje. Njena cev je bila postavljena strogo vzporedno s površino sveta in sprožena. Ko sem opisal lok, jedro pade na Zemljo.
Povečamo naboj, izboljšamo kvaliteto smodnika in na tak ali drugačen način prisilimo topovsko kroglo, da se po naslednjem strelu premika z večjo hitrostjo. Lok, ki ga opisuje jedro, postane bolj raven. Jedro pada precej dlje od vznožja naše gore.
Povečamo tudi naboj in streljamo. Jedro leti po tako ravni poti, da se spušča vzporedno s površino globusa. Jedro ne more več pasti na Zemljo: z enako hitrostjo, s katero se zmanjšuje, Zemlja uide izpod njega. In po opisu obroča okoli našega planeta se jedro vrne na izhodiščno točko.
Medtem lahko pištolo odstranite. Navsezadnje bo let jedra okoli sveta trajal več kot eno uro. In potem bo jedro hitro preletelo vrh gore in se podalo na nov let okoli Zemlje. Če, kot smo se dogovorili, jedro ne doživlja zračnega upora, ne bo moglo nikoli pasti.
Za to mora biti hitrost jedra blizu 8 km/s. Kaj če povečamo hitrost letenja jedra? Najprej bo letel v loku, bolj položnem od ukrivljenosti zemeljskega površja, in se začel oddaljevati od Zemlje. Hkrati se bo njegova hitrost zmanjšala pod vplivom zemeljske gravitacije.
In končno, ko se bo obrnil, bo začel padati nazaj na Zemljo, vendar bo letel mimo nje in zaprl ne krog, ampak elipso. Jedro se bo okoli Zemlje gibalo na popolnoma enak način, kot se Zemlja giblje okoli Sonca, in sicer po elipsi, v enem izmed žarišč katere bo središče našega planeta.
Če še povečate začetno hitrost jedra, bo elipsa postala bolj raztegnjena. To elipso je mogoče raztegniti tako, da bo jedro doseglo lunino orbito ali celo veliko dlje. Toda dokler začetna hitrost tega jedra ne preseže 11,2 km/s, bo ostal satelit Zemlje.
Jedro, ki je ob izstrelitvi doseglo hitrost nad 11,2 km/s, bo za vedno odletelo od Zemlje po parabolični poti. Če je elipsa zaprta krivulja, potem je parabola krivulja, ki ima dve veji, ki gresta v neskončnost. Ko se premikamo po elipsi, ne glede na to, kako podolgovata je, se neizogibno sistematično vračamo na izhodišče. Ko se gibljemo po paraboli, se ne bomo nikoli vrnili na začetno točko.
Toda, ko je zapustilo Zemljo pri tej hitrosti, jedro še ne bo moglo leteti v neskončnost. Močna gravitacija Sonca bo zakrivila tirnico njegovega leta in jo zaprla okoli sebe kot tirnico planeta. Jedro bo postalo sestra Zemlje, neodvisen majhen planet v naši družini planetov.
Da bi usmerili jedro izven planetarnega sistema, da bi premagali sončno gravitacijo, mu je treba dati hitrost nad 16,7 km/s in ga usmeriti tako, da se tej hitrosti doda hitrost lastnega gibanja Zemlje.
Hitrost približno 8 km/s (ta hitrost je odvisna od višine gore, s katere strelja naš top) imenujemo krožna hitrost, hitrosti od 8 do 11,2 km/s so eliptične, od 11,2 do 16,7 km/s parabolične, in nad to številko - pri osvobajajočih hitrostih.
Tu je treba dodati, da podane vrednosti teh hitrosti veljajo le za Zemljo. Če bi živeli na Marsu, bi nam bila krožna hitrost veliko lažje dosegljiva - znaša le okoli 3,6 km/s, parabolična hitrost pa je le malo višja od 5 km/s.
Toda poslati jedro v vesolje z Jupitra bi bilo veliko težje kot z Zemlje: krožna hitrost na tem planetu je 42,2 km/s, parabolična pa celo 61,8 km/s!
Najtežje bi svoj svet zapustili prebivalci Sonca (če bi ta seveda lahko obstajal). Krožna hitrost tega velikana naj bi bila 437,6, hitrost odcepa pa 618,8 km/s!
Tako je Newton ob koncu 17. stoletja, sto let pred prvim poletom toplozračnega balona bratov Montgolfier, dvesto let pred prvimi poleti letala bratov Wright in skoraj četrt tisočletja pred vzlet prvih raket na tekoče gorivo, satelitom in vesoljskim ladjam pokazal pot v nebo.
Sila univerzalne gravitacije je lastna vsaki krogli
Z uporabo zakon univerzalne gravitacije odkriti so bili neznani planeti, nastale so kozmogonične hipoteze o nastanku sončnega sistema. Glavna sila narave, ki nadzoruje zvezde, planete, jabolka na vrtu in molekule plina v ozračju, je bila odkrita in matematično opisana.
Ne poznamo pa mehanizma univerzalne gravitacije. Newtonova gravitacija ne pojasnjuje, ampak jasno predstavlja sodobno stanje planetarnega gibanja.
Ne vemo, kaj povzroča interakcijo vseh teles v vesolju. In ni mogoče reči, da Newtona ta razlog ni zanimal. Dolga leta je razmišljal o njegovem možnem mehanizmu.
Mimogrede, to je res izjemno skrivnostna moč. Sila, ki se kaže skozi stotine milijonov kilometrov prostora, na prvi pogled brez materialnih tvorb, s pomočjo katerih bi lahko razložili prenos interakcije.
Newtonove hipoteze
IN Newton zatekli k hipoteza o obstoju nekega etra, ki naj bi zapolnjeval celotno vesolje. Leta 1675 je pojasnil privlačnost Zemlje z dejstvom, da eter, ki napolnjuje celotno vesolje, hiti v neprekinjenih tokovih v središče Zemlje, zajame vse predmete v tem gibanju in ustvarja silo gravitacije. Isti tok etra hiti proti Soncu in s seboj nosi planete in komete, zagotavlja njihove eliptične trajektorije ...
To ni bila zelo prepričljiva hipoteza, čeprav je bila popolnoma matematično logična. Toda leta 1679 je Newton ustvaril novo hipotezo, ki pojasnjuje mehanizem gravitacije. Tokrat daje etru lastnost, da ima različne koncentracije v bližini planetov in daleč od njih. Dlje ko je od središča planeta, domnevno gostejši je eter. In ima lastnost, da vsa materialna telesa iz njihovih gostejših plasti iztisne v manj goste. In vsa telesa so iztisnjena na površje Zemlje.
Leta 1706 je Newton ostro zanikal sam obstoj etra. Leta 1717 se je ponovno vrnil k hipotezi o iztiskanju etra.
Newtonovi briljantni možgani so se trudili rešiti veliko skrivnost in je niso našli. To pojasnjuje tako ostro metanje z ene strani na drugo. Newton je rad rekel:
Ne postavljam hipotez.
In čeprav, kakor smo se lahko prepričali, to ni povsem res, lahko zagotovo trdimo nekaj drugega: Newton je znal jasno ločiti med nespornimi stvarmi in nestalnimi in spornimi hipotezami. In v "Načelih" je formula za veliki zakon, vendar ni poskusov razlage njegovega mehanizma.
Veliki fizik je to uganko zapustil človeku prihodnosti. Umrl je leta 1727.
Do danes ni rešeno.
Razprava o fizičnem bistvu Newtonovega zakona je trajala dve stoletji. In morda ta razprava ne bi zadevala samega bistva zakona, če bi natančno odgovorila na vsa vprašanja, ki so mu zastavljena.
A dejstvo je, da se je sčasoma izkazalo, da ta zakon ni univerzalen. Da so primeri, ko ne zna razložiti tega ali onega pojava. Navedimo primere.
Sila univerzalne gravitacije v Seeligerjevih izračunih
Prvi med njimi je Seeligerjev paradoks. Glede na to, da je Vesolje neskončno in enakomerno napolnjeno s snovjo, je Seeliger poskušal po Newtonovem zakonu izračunati silo univerzalne gravitacije, ki jo v nekem trenutku ustvari celotna neskončno velika masa neskončnega Vesolja.
To z vidika čiste matematike ni bila lahka naloga. Ko je premagal vse težave najzapletenejših transformacij, je Seeliger ugotovil, da je želena sila univerzalne gravitacije sorazmerna s polmerom vesolja. In ker je ta polmer enak neskončnosti, mora biti gravitacijska sila neskončno velika. Vendar v praksi tega ne opazimo. To pomeni, da zakon univerzalne gravitacije ne velja za celotno vesolje.
Možne pa so tudi druge razlage paradoksa. Lahko na primer domnevamo, da snov ne zapolnjuje enakomerno celotnega vesolja, temveč se njena gostota postopoma zmanjšuje in na koncu nekje zelo daleč materije sploh ni. Toda predstavljati si takšno sliko pomeni dopustiti možnost obstoja prostora brez materije, kar je na splošno absurdno.
Lahko domnevamo, da sila univerzalne gravitacije slabi hitreje, kot se povečuje kvadrat razdalje. Toda to postavlja pod vprašaj neverjetno harmonijo Newtonovega zakona. Ne, in ta razlaga ni zadovoljila znanstvenikov. Paradoks je ostal paradoks.
Opazovanja gibanja Merkurja
Prineslo je še eno dejstvo, delovanje sile univerzalne gravitacije, ki ni pojasnjeno z Newtonovim zakonom opazovanja gibanja Merkurja- najbližje planetu. Natančni izračuni z uporabo Newtonovega zakona so pokazali, da bi se moral perhelij - točka elipse, po kateri se Merkur giblje najbližje Soncu - premakniti za 531 ločnih sekund na 100 let.
In astronomi so ugotovili, da je ta premik enak 573 ločnim sekundam. Tudi tega presežka - 42 ločnih sekund - znanstveniki niso mogli razložiti z uporabo samo formul, ki izhajajo iz Newtonovega zakona.
Pojasnil Seeligerjev paradoks, premik perihelija Merkurja in številne druge paradoksalne pojave in nerazložljiva dejstva Albert Einstein, eden največjih, če ne celo največji fizik vseh časov. Med nadležnimi malenkostmi je bilo vprašanje o eterični veter.
Poskusi Alberta Michelsona
Zdelo se je, da se to vprašanje ne nanaša neposredno na problem gravitacije. Povezoval se je z optiko, s svetlobo. Natančneje, določiti njegovo hitrost.
Hitrost svetlobe je prvi določil danski astronom Olaf Roemer, opazovanje mrka Jupitrovih satelitov. To se je zgodilo leta 1675.
Ameriški fizik Albert Michelson konec 18. stoletja je z aparaturo, ki jo je zasnoval, izvedel vrsto določitev hitrosti svetlobe v zemeljskih razmerah.
Leta 1927 je hitrost svetlobe ocenil z vrednostjo 299796 + 4 km/s - to je bila za tiste čase odlična natančnost. Toda bistvo je drugačno. Leta 1880 se je odločil raziskati eterični veter. Želel je končno ugotoviti obstoj prav tistega etra, s prisotnostjo katerega so poskušali razložiti tako prenos gravitacijske interakcije kot prenos svetlobnih valov.
Michelson je bil verjetno najimenitnejši eksperimentator svojega časa. Imel je odlično opremo. In bil je skoraj prepričan o uspehu.
Bistvo izkušnje
Izkušnje je bilo tako namenjeno. Zemlja se giblje po svoji orbiti s hitrostjo približno 30 km/s. Premika se skozi eter. To pomeni, da mora biti hitrost svetlobe iz vira, ki stoji pred sprejemnikom glede na gibanje Zemlje, večja kot iz vira, ki stoji na drugi strani. V prvem primeru je treba hitrosti svetlobe prišteti hitrost eteričnega vetra, v drugem primeru pa se mora hitrost svetlobe zmanjšati za toliko.
Seveda je hitrost kroženja Zemlje okoli Sonca le ena desettisočinka svetlobne hitrosti. Zelo težko je zaznati tako majhen izraz, vendar ni zaman, da so Michelsona imenovali kralj natančnosti. Uporabil je pametno metodo, da bi zajel "neulovljivo" razliko v hitrosti svetlobnih žarkov.
Žarek je razdelil na dva enaka toka in ju usmeril v medsebojno pravokotni smeri: po meridianu in po vzporedniku. Ko so se žarki odbili od ogledal, so se vrnili. Če bi na žarek, ki potuje vzdolž vzporednice, vplival eterični veter, bi se ob njegovem dodajanju meridionalnemu žarku pojavile interferenčne obrobe in valovi obeh žarkov bi bili v nefazi.
Vendar je bilo Michelsonu težko izmeriti poti obeh žarkov s tako veliko natančnostjo, da sta bili popolnoma enaki. Tako je sestavil aparat tako, da ni bilo interferenčnih robov, nato pa ga je zavrtel za 90 stopinj.
Meridionalni žarek je postal širinski in obratno. Če je eterični veter, se morajo pod okularjem pojaviti črne in svetle proge! Toda tam jih ni bilo. Morda ga je znanstvenik ob obračanju aparata premaknil.
Opoldne ga je postavil in zavaroval. Konec koncev, poleg tega, da se vrti tudi okoli osi. In zato ob različnih časih dneva žarek zemljepisne širine zavzema drugačen položaj glede na prihajajoči eterični veter. Zdaj, ko je naprava popolnoma nepremična, se lahko prepričamo o natančnosti eksperimenta.
Spet ni bilo interferenčnih robov. Poskus je bil izveden večkrat in Michelson in z njim vsi fiziki tistega časa so bili presenečeni. Eterični veter ni bil zaznan! Svetloba se je gibala v vse smeri z enako hitrostjo!
Nihče ni znal tega razložiti. Michelson je poskus vedno znova ponavljal, izboljševal opremo in končno dosegel skoraj neverjetno merilno natančnost, za red velikosti večjo od tiste, ki je bila potrebna za uspeh poskusa. In spet nič!
Eksperimenti Alberta Einsteina
Naslednji velik korak v poznavanje sile univerzalne gravitacije naredil Albert Einstein.
Alberta Einsteina so nekoč vprašali:
Kako ste prišli do posebne teorije relativnosti? V kakšnih okoliščinah se vam je porodila sijajna ideja? Znanstvenik je odgovoril: "Vedno sem si predstavljal, da je tako."
Morda ni želel biti odkrit, morda se je želel znebiti nadležnega sogovornika. Toda težko si je predstavljati, da je bil koncept povezav med časom, prostorom in hitrostjo, ki ga je odkril Einstein, prirojen.
Ne, seveda, najprej je švignila domneva, svetla kot strela. Nato se je začel njegov razvoj. Ne, ni nobenih protislovij z znanimi pojavi. In potem se je pojavilo tistih pet strani, napolnjenih s formulami, ki so bile objavljene v fizikalni reviji. Strani, ki so odprle novo obdobje v fiziki.
Predstavljajte si zvezdno ladjo, ki leti v vesolje. Naj vas takoj opozorimo: zvezdna ladja je zelo edinstvena, o kakršni še niste brali v znanstvenofantastičnih zgodbah. Njegova dolžina je 300 tisoč kilometrov, njegova hitrost pa je recimo 240 tisoč km/s. In ta vesoljska ladja leti mimo ene od vmesnih platform v vesolju, ne da bi se na njej ustavila. S polno hitrostjo.
Eden od njegovih potnikov stoji na krovu zvezdne ladje z uro. In ti in jaz, bralec, stojiva na ploščadi - njena dolžina mora ustrezati velikosti zvezdne ladje, torej 300 tisoč kilometrov, ker drugače ne bo mogla pristati na njej. Pa še uro imamo v rokah.
Opazimo: v tistem trenutku, ko je nos vesoljske ladje dosegel zadnji rob naše ploščadi, je na njem zasvetila svetilka in osvetlila prostor okoli njega. Sekundo kasneje je žarek svetlobe dosegel sprednji rob naše ploščadi. O tem ne dvomimo, saj poznamo hitrost svetlobe in smo uspeli natančno zaznati ustrezen trenutek na uri. In na zvezdni ladji ...
Toda proti žarku svetlobe je letela tudi zvezdna ladja. In zagotovo smo videli, da je luč osvetlila njegovo krmo v trenutku, ko je bil nekje na sredini ploščadi. Vsekakor smo videli, da žarek svetlobe ni prepotoval 300 tisoč kilometrov od premca do krme ladje.
Toda potniki na krovu zvezdne ladje so prepričani o nečem drugem. Prepričani so, da je njihov žarek pokrival celotno razdaljo od premca do krme 300 tisoč kilometrov. Konec koncev je za to porabil celo sekundo. To so tudi popolnoma natančno zaznali na svoji uri. In kako bi lahko bilo drugače: navsezadnje hitrost svetlobe ni odvisna od hitrosti vira ...
Kako to? Mi vidimo eno stvar s stacionarne ploščadi, oni pa nekaj drugega na krovu zvezdne ladje? Kaj je narobe?
Einsteinova teorija relativnosti
Takoj je treba opozoriti: Einsteinova teorija relativnosti na prvi pogled absolutno nasprotuje našemu ustaljenemu razumevanju zgradbe sveta. Lahko rečemo, da je tudi v nasprotju z zdravo pametjo, kot smo jo vajeni predstavljati. To se je v zgodovini znanosti zgodilo več kot enkrat.
Toda odkritje sferične oblike Zemlje je bilo tudi v nasprotju z zdravo pametjo. Kako naj ljudje živijo na nasprotni strani in ne padejo v prepad?
Za nas je sferičnost Zemlje nedvomno dejstvo in z vidika zdrave pameti je vsaka drugačna domneva nesmiselna in divja. Toda stopite stran od svojega časa, predstavljajte si prvi pojav te ideje in postalo bo jasno, kako težko bi jo bilo sprejeti.
No, ali bi bilo lažje priznati, da Zemlja ni nepremična, ampak leti po svoji poti desetkrat hitreje kot topovska krogla?
Vse to so bile napake zdrave pameti. Zato se sodobni fiziki tega nikoli ne sklicujejo.
Zdaj pa se vrnimo k posebni teoriji relativnosti. Svet je zanj prvič izvedel leta 1905 iz članka, ki ga je podpisalo malo znano ime - Albert Einstein. In takrat je bil star le 26 let.
Einstein je iz tega paradoksa naredil zelo preprosto in logično predpostavko: z vidika opazovalca na ploščadi je v premikajočem se vagonu minilo manj časa, kot ga je izmerila vaša zapestna ura. V vagonu se je čas upočasnil v primerjavi s časom na mirujoči ploščadi.
Iz te predpostavke so logično izhajale popolnoma neverjetne stvari. Izkazalo se je, da človek, ki gre v službo s tramvajem, v primerjavi s pešcem, ki hodi po isti poti, ne le prihrani čas zaradi hitrosti, ampak gre zanj tudi počasneje.
Vendar ne poskušajte na ta način ohraniti večne mladosti: tudi če postanete kočijaš in tretjino svojega življenja preživite na tramvaju, boste v 30 letih pridobili komajda več kot milijoninko sekunde. Da bi pridobitev časa postala opazna, se morate premikati s hitrostjo blizu svetlobne hitrosti.
Izkazalo se je, da se povečanje hitrosti teles odraža v njihovi masi. Bližje kot je hitrost telesa svetlobni, večja je njegova masa. Ko je hitrost telesa enaka svetlobni hitrosti, je njegova masa enaka neskončnosti, torej je večja od mase Zemlje, Sonca, Galaksije, našega celotnega vesolja ... To je masa, ki lahko biti skoncentriran v preprostem tlakovcu in ga pospešiti do hitrosti
Sveta!
To nalaga omejitev, ki nobenemu materialnemu telesu ne dovoljuje, da bi razvilo hitrost, ki je enaka svetlobni hitrosti. Konec koncev, ko masa raste, jo je vse težje pospešiti. In neskončne mase ne more nobena sila premakniti z mesta.
Vendar je narava naredila zelo pomembno izjemo od tega zakona za cel razred delcev. Na primer za fotone. Lahko se premikajo s svetlobno hitrostjo. Natančneje, ne morejo se premikati z nobeno drugo hitrostjo. Nepredstavljivo si je zamisliti nepremični foton.
Ko miruje, nima mase. Tudi nevtrini nimajo mase mirovanja, prav tako pa so obsojeni na večno nenadzorovano letenje po vesolju z največjo možno hitrostjo v našem vesolju, ne da bi prehiteli svetlobo ali zaostali za njo.
Ali ni res, da je vsaka od posledic posebne teorije relativnosti, ki smo jih našteli, presenetljiva in paradoksalna! In vsaka je seveda v nasprotju z »zdravo pametjo«!
Zanimivo pa je tole: ne v svoji specifični obliki, ampak kot široko filozofsko stališče so vse te neverjetne posledice napovedali ustanovitelji dialektičnega materializma. Kaj kažejo ti rezultati? O povezavah, ki med seboj povezujejo energijo in maso, maso in hitrost, hitrost in čas, hitrost in dolžino premikajočega se predmeta ...
Einsteinovo odkritje soodvisnosti je tako kot cement (podrobneje:), povezovanje armatur ali temeljnih kamnov združilo stvari in pojave, ki so se prej zdeli neodvisni drug od drugega, in ustvarilo temelj, na katerem je prvič v zgodovini znanosti nastala , se je zdelo mogoče zgraditi harmonično zgradbo. Ta stavba je ideja o tem, kako deluje naše vesolje.
A najprej vsaj nekaj besed o splošni teoriji relativnosti, ki jo je prav tako ustvaril Albert Einstein.
Albert Einstein To ime - splošna teorija relativnosti - ne ustreza povsem vsebini teorije, o kateri bomo razpravljali. Vzpostavlja soodvisnost med prostorom in materijo. Očitno bi bilo bolj pravilno imenovati prostorsko-časovna teorija, oz teorija gravitacije.
Toda to ime je postalo tako prepleteno z Einsteinovo teorijo, da se mnogim znanstvenikom zdi nespodobno celo vprašanje o njegovi zamenjavi.
Splošna teorija relativnosti je ugotovila soodvisnost med materijo ter časom in prostorom, ki jo vsebujeta. Izkazalo se je, da si prostora in časa ne le ne moremo predstavljati ločeno od materije, ampak so njune lastnosti odvisne tudi od materije, ki ju napolnjuje.
Izhodišče za sklepanje
Zato lahko samo navedemo Izhodišče in podajte nekaj pomembnih zaključkov.
Na začetku vesoljskih potovanj je nepričakovana katastrofa uničila knjižnico, filmsko zbirko in druga skladišča uma in spomina ljudi, ki so leteli skozi vesolje. In narava domačega planeta je bila v menjavi stoletij pozabljena. Tudi zakon univerzalne gravitacije je pozabljen, ker raketa leti v medgalaktičnem prostoru, kjer je skoraj ni čutiti.
Vendar pa ladijski motorji delujejo odlično, zaloga energije v baterijah pa je tako rekoč neomejena. Večino časa se ladja premika po vztrajnosti, njeni prebivalci pa so vajeni breztežnosti. Včasih pa prižgejo motorje in upočasnijo ali pospešijo gibanje ladje. Ko reaktivne šobe z brezbarvnim plamenom planejo v praznino in se ladja premika pospešeno, prebivalci čutijo, da njihova telesa postajajo težka, prisiljeni so hoditi po ladji in ne leteti po hodnikih.
In zdaj je let blizu konca. Ladja prileti do ene od zvezd in pade v orbito najprimernejšega planeta. Vesoljske ladje gredo ven, hodijo po tleh, pokritih s svežim zelenjem, nenehno doživljajo enak občutek teže, znan iz časa, ko se je ladja premikala s pospešenim tempom.
Toda planet se giblje enakomerno. Ne more leteti proti njim s stalnim pospeškom 9,8 m/s2! In imajo prvo predpostavko, da gravitacijsko polje (gravitacijska sila) in pospešek dajeta enak učinek in morda imata skupno naravo.
Nihče od naših zemljanskih sodobnikov ni bil na tako dolgem letu, so pa mnogi občutili pojav "težnosti" in "lajšanja" svojega telesa. Tudi navadno dvigalo, ko se premika pospešeno, ustvari ta občutek. Ko se spuščate navzdol, občutite nenadno izgubo teže, ko se dvigate, nasprotno, tla pritiskajo na vaše noge močneje kot običajno.
Toda en občutek ne dokazuje ničesar. Konec koncev nas občutki skušajo prepričati, da se Sonce giblje po nebu okoli nepremične Zemlje, da so vse zvezde in planeti na enaki razdalji od nas, na nebesnem svodu itd.
Znanstveniki so občutke podvrgli eksperimentalnemu testiranju. Newton je razmišljal tudi o nenavadni istovetnosti obeh pojavov. Poskušal jim je dati numerične značilnosti. Po izmerjenih gravitacijskih in , je bil prepričan, da so bile njihove vrednosti vedno strogo enake.
Nihala pilotne naprave je izdelal iz najrazličnejših materialov: srebra, svinca, stekla, soli, lesa, vode, zlata, peska, pšenice. Rezultat je bil isti.
Načelo enakovrednosti, o katerem govorimo, leži v osnovi splošne teorije relativnosti, čeprav sodobna interpretacija teorije tega načela ne potrebuje več. Če preskočimo matematične zaključke, ki izhajajo iz tega načela, pojdimo neposredno k nekaterim posledicam splošne teorije relativnosti.
Prisotnost velikih mas snovi močno vpliva na okoliški prostor. V njem pride do takšnih sprememb, ki jih lahko opredelimo kot heterogenost prostora. Te nehomogenosti usmerjajo gibanje vseh mas, ki se znajdejo v bližini privlačnega telesa.
Običajno se zatečejo k tej analogiji. Predstavljajte si platno, tesno napeto na okvir, ki je vzporeden z zemeljsko površino. Nanj položite težko utež. To bo naša velika privlačna masa. Seveda bo upognil platno in končal v nekakšni depresiji. Zdaj zakotalite žogico po tem platnu, tako da del njene poti leži poleg privlačne mase. Glede na način izstrelitve žoge so na voljo tri možnosti.
- Žoga bo odletela dovolj daleč od vdolbine, ki nastane zaradi odklona platna, in ne bo spremenila svojega gibanja.
- Žoga se bo dotaknila vdolbine in linije njenega gibanja se bodo upognile proti privlačni masi.
- Žoga bo padla v to luknjo, ne bo mogla iz nje in bo naredila en ali dva obrata okoli gravitirajoče mase.
Ali ni res, da tretja možnost zelo lepo modelira, da zvezda ali planet zajame tuje telo, ki neprevidno prileti v njihovo privlačno polje?
In drugi primer je upogibanje trajektorije telesa, ki leti s hitrostjo, večjo od možne hitrosti zajemanja! Prvi primer je podoben letenju izven praktičnega dosega gravitacijskega polja. Da, prav praktično, ker je teoretično gravitacijsko polje neomejeno.
Seveda je to zelo oddaljena analogija, predvsem zato, ker si nihče ne zna zares predstavljati upogiba našega tridimenzionalnega prostora. Nihče ne ve, kakšen je fizični pomen tega odklona ali ukrivljenosti, kot pogosto pravijo.
Iz splošne teorije relativnosti izhaja, da se lahko vsako materialno telo giblje v gravitacijskem polju samo vzdolž krivulj. Le v posebnih, posebnih primerih se krivulja spremeni v ravno črto.
Tudi žarek svetlobe upošteva to pravilo. Navsezadnje je sestavljen iz fotonov, ki imajo med letom določeno maso. In gravitacijsko polje nanj vpliva tako kot na molekulo, asteroid ali planet.
Druga pomembna ugotovitev je, da gravitacijsko polje spreminja tudi potek časa. V bližini velike privlačne mase, v močnem gravitacijskem polju, ki ga ustvarja, bi moral čas teči počasneje kot daleč od nje.
Vidite, splošna teorija relativnosti je polna paradoksalnih zaključkov, ki lahko spet ovržejo naše predstave o »zdravi pameti«!
Gravitacijski kolaps
Pogovorimo se o neverjetnem pojavu, ki ima kozmični značaj - gravitacijskem kolapsu (katastrofalnem stiskanju). Ta pojav se pojavi v velikanskih kopičenjih snovi, kjer gravitacijske sile dosežejo tako ogromne razsežnosti, da se jim nobena druga sila, ki obstaja v naravi, ne more upreti.
Spomnite se znamenite Newtonove formule: manjši kot je kvadrat razdalje med gravitacijskimi telesi, večja je gravitacijska sila. Čim gostejša postaja materialna tvorba, čim manjša je njena velikost, čim hitreje naraščajo sile gravitacije, tem bolj neizogiben je njihov uničujoči objem.
Obstaja zvita tehnika, s katero se narava bori proti navidezno brezmejnemu stiskanju materije. Da bi to naredil, ustavi sam potek časa v sferi delovanja supergigantskih gravitacijskih sil in zdi se, da so vezane mase snovi izključene iz našega vesolja, zamrznjene v nenavadnem letargičnem spancu.
Prva od teh "črnih lukenj" v vesolju je verjetno že odkrita. Po predpostavki sovjetskih znanstvenikov O. Kh Guseinov in A. Sh Novruzova gre za Delta Gemini - dvojno zvezdo z eno nevidno komponento.
Vidna komponenta ima maso 1,8 sončne, njen nevidni "spremljevalec" pa naj bi bil po izračunih štirikrat masivnejši od vidnega. Toda o tem ni nobenih sledi: nemogoče je videti najbolj neverjetno stvaritev narave, "črno luknjo".
Sovjetski znanstvenik profesor K. P. Stanjukovič je, kot pravijo, »na konici svojega peresa« s čisto teoretičnimi konstrukcijami pokazal, da so lahko delci »zamrznjene snovi« zelo raznoliki po velikosti.
- Možne so njene velikanske tvorbe, podobne kvazarjem, ki nenehno oddajajo toliko energije, kot jo oddaja vseh 100 milijard zvezd naše Galaksije.
- Možne so veliko bolj skromne kepe, enake le nekaj sončnim masam. Oba predmeta lahko sama nastaneta iz navadne, nespeče snovi.
- In možne so formacije povsem drugačnega razreda, ki so po masi primerljive z osnovnimi delci.
Da nastanejo, je treba materijo, ki jih sestavlja, najprej izpostaviti velikanskemu pritisku in jo pognati v meje Schwarzschildove sfere – krogle, kjer se čas za zunanjega opazovalca povsem ustavi. In tudi če se po tem tlak odstrani, bodo delci, za katere se je čas ustavil, še naprej obstajali neodvisno od našega vesolja.
Plankeoni
Plankeoni so povsem poseben razred delcev. Imajo, po besedah K. P. Stanyukovicha, izjemno zanimivo lastnost: prenašajo snov v nespremenjeni obliki, kakršna je bila pred milijoni in milijardami let. Če bi pogledali v notranjost plankeona, bi lahko videli materijo, kakršna je bila v trenutku rojstva našega vesolja. Po teoretičnih izračunih je v vesolju približno 1080 plankeonov, približno en plankeon v kocki prostora s stranico 10 centimetrov. Mimogrede, hkrati s Stanjukovičem in (neodvisno od njega) je hipotezo o plankeonih postavil akademik M. A. Markov, le Markov jim je dal drugačno ime - maksimoni.
Včasih paradoksalne transformacije osnovnih delcev lahko poskušamo razložiti s posebnimi lastnostmi plankeonov. Znano je, da ob trku dveh delcev nikoli ne nastanejo drobci, ampak nastanejo drugi osnovni delci. To je res neverjetno: v navadnem svetu, ko razbijemo vazo, ne bomo nikoli dobili celih skodelic ali celo rozet. Toda predpostavimo, da se v globinah vsakega osnovnega delca skriva plankeon, eden ali več, včasih pa tudi več plankeonov.
V trenutku trka delcev se tesno zavezana "vreča" plankeona rahlo odpre, nekaj delcev bo "padlo" vanjo, v zameno pa bodo "poskočili" tisti, za katere menimo, da so nastali med trkom. Obenem bo plankeon kot preudaren računovodja poskrbel za vse »zakone ohranjanja«, ki so sprejeti v svetu osnovnih delcev.
No, kaj ima s tem mehanizem univerzalne gravitacije?
Za gravitacijo so po hipotezi K. P. Stanyukovicha "odgovorni" drobni delci, tako imenovani gravitoni, ki jih neprekinjeno oddajajo osnovni delci. Gravitoni so toliko manjši od slednjih, kot je prašek, ki pleše v sončnem žarku, manjši od globusa.
Emisija gravitonov je podrejena številnim zakonom. Zlasti lažje letijo v to območje vesolja. Ki vsebuje manj gravitonov. To pomeni, da če sta v vesolju dve nebesni telesi, bosta obe oddajali gravitone pretežno »navzven«, v smeri, ki sta si nasprotni. To ustvari impulz, ki povzroči, da se telesi približata in privlačita.
Ni naključje, da se Newtonov zakon imenuje univerzalen. Obseg njegovega delovanja ni omejen na Zemljo in celo Osončje. Opisuje medsebojno delovanje vseh teles v vesolju: zvezd, planetov, satelitov, kometov, meteoritov.
Zakaj jabolka padajo?
V istem času, ko je mladi znanstvenik Isaac Newton diplomiral, je v Angliji izbruhnila epidemija kuge. Univerza v Cambridgeu je bila zaprta in Newton je odšel na materino posestvo. Dve leti, ki ju je tam preživel, je popolnoma spremenilo tedanjo znanost, saj je Newton prišel do več temeljnih odkritij, med drugim do izpeljave zakona univerzalne gravitacije.
Kot je povedal na stara leta, se mu je ideja o obstoju zakona univerzalne gravitacije porodila, ko je opazoval, kako zrela jabolka padajo z dreves. V tistem trenutku je bila na nebu vidna luna. In tako je Newton ob pogledu na Luno, ki se, kot je vedel, vrti okoli Zemlje, in na jabolka, ki so padala dol, nenadoma ugotovil, da v obeh primerih deluje ista sila. Ta sila povzroči, da zemeljski predmeti padejo navzdol, poleg tega pa ohranja zemeljski satelit v orbiti in mu preprečuje, da bi planil v vesolje.
Pravijo, da zgodba o jabolku, ki je padlo na Newtonovo glavo, ni nič drugega kot mit. Vendar je zanesljivo znano, da se je znanstvenik rad prepustil razmišljanju v materinem jablanovem sadovnjaku
To je bilo največje odkritje, ki je z matematično natančnostjo pojasnilo gibanje nebesnih teles in številne pojave, ki so se zgodili na Zemlji. Gravitacijska sila (privlačnost) je ena najbolj univerzalnih v naravi. Deluje med vsemi predmeti, ki imajo maso. In ker materije brez mase ni, za to silo ni izjem. Če bi lahko videli privlačnost v obliki niti, potem bi bilo na kateri koli točki v vesolju nešteto takih niti, ki povezujejo vse z vsem. Nemogoče se je "ograditi" od sile gravitacije, ni zaščitnih zaslonov, ki bi bili ovira za to vseprisotno silo.
"Narava je preprosta in se ne razkošuje z nepotrebnimi razlogi." Isaac Newton
Neskončni padec
Newton ni bil prvi, ki je opazil, da telesa padajo na Zemljo. Galileo je preučeval tudi gravitacijski pospešek. Verjel pa je, da sila gravitacije deluje samo na Zemljo in sega kvečjemu do Lune. Kepler, ki je odkril zakone gibanja planetov, je bil prepričan, da ti zakoni veljajo samo v vesolju. In samo Newtonov genij je omogočil združitev "zemeljskega" in "nebeškega". Newton je prvi dokazal, da tako na Zemlji kot v vesolju delujejo iste sile in enaki zakoni, najpomembnejši med njimi pa je zakon univerzalne gravitacije.
Da bi bolje razumeli enotnost tega zakona, lahko izvedete miselni poskus. Predstavljajmo si, da stojimo na robu visoke pečine, poleg starega topa, ob naših nogah pa ležijo težke litoželezne krogle. Če topovsko kroglo preprosto potisnete s pečine, bo padla navpično navzdol. Če iz topa izstreliš kroglo, bo tudi padla, vendar bo najprej poletela naprej in v zraku opisala lok. Tukaj poleg sile gravitacije na jedro deluje še ena sila, ki mu daje začetni pospešek.
Zdaj pa si poskusimo predstavljati, da lahko naš super zmogljiv top izstreli topovsko kroglo s takšno silo, da ta obleti Zemljo in se spet vrne na izhodišče. Kaj se bo zgodilo v tem primeru? Jedro ne bo padlo, ampak se bo še naprej gibalo okoli našega planeta po krožni orbiti. Izkazalo se je, da smo ustvarili umetni satelit.
Ta Newtonova knjiga je ena najpomembnejših v zgodovini človeštva. Njen naslov v prevodu iz latinščine pomeni "Matematični principi naravne filozofije".
Pravzaprav je gibanje Lune okoli Zemlje, Zemlje okoli Sonca ali umetnega satelita okoli planeta nenehen »pad«, ki ga povzroča gravitacijska sila in ga razlaga zakon univerzalne gravitacije. Zaradi dejstva, da je hitrost gibanja zelo visoka, manjše telo ne pade na večje in se nagiba k gibanju v ravni črti. A tudi odleteti ne morejo, saj jih drži vseprisotna sila gravitacije – tista, zaradi katere jabolka padajo.
»Ni si dovolil počitka ali predaha ... vsako uro, ki ni bila posvečena študiju, je imel za izgubljeno ... Mislim, da je bil zelo žalosten, ker je moral zapravljati čas za hrano in spanje,« se je o Newtonu spominjal njegov pomočnik.
Vsi hodimo po Zemlji, ker nas privlači. Če Zemlja ne bi pritegnila vseh teles na svoji površini, potem bi se od nje odrinili in poleteli v vesolje. Toda to se ne zgodi in vsi vedo za obstoj gravitacije.
Ali privlačimo Zemljo? Luna privlači!
Ali Zemljo privlačimo k sebi? Smešno vprašanje, kajne? Ampak poglejmo. Ali veste, kaj so plime in oseke v morjih in oceanih? Vsak dan voda zapusti obale, nekaj ur visi nekje neznano, nato pa se, kot da se ni nič zgodilo, vrne nazaj.
Torej voda v tem času ni nekje neznano, ampak približno sredi oceana. Tam nastane nekaj podobnega gori vode. Neverjetno, kajne? Voda, ki ima lastnost širjenja, ne le teče navzdol, temveč tvori tudi gore. In v teh gorah je skoncentrirana ogromna masa vode.
Samo ocenite celotno količino vode, ki med oseko zapusti obale, in razumeli boste, da govorimo o velikanskih količinah. Toda če se to zgodi, mora obstajati nek razlog. In obstaja razlog. Razlog je v tem, da to vodo privlači Luna.
Medtem ko se Luna vrti okoli Zemlje, prehaja čez oceane in privlači oceanske vode. Luna se vrti okoli Zemlje, ker jo Zemlja privlači. Izkazalo pa se je, da tudi sama privlači Zemljo k sebi. Zemlja je sicer prevelika zanj, vendar je njegov vpliv zadosten za premikanje vode v oceanih.
Sila in zakon univerzalne gravitacije: koncept in formula
Zdaj pa pojdimo dlje in pomislimo: če se dve ogromni telesi, ki sta v bližini, obe privlačita, ali ni logično domnevati, da se bodo privlačila tudi manjša telesa? Ali so preprosto veliko manjši in bo njihova privlačnost majhna?
Izkazalo se je, da je ta predpostavka povsem pravilna. Med absolutno vsemi telesi v vesolju obstajajo sile privlačnosti ali, z drugimi besedami, sile univerzalne gravitacije.
Isaac Newton je bil prvi, ki je odkril ta pojav in ga oblikoval v obliki zakona. Zakon univerzalne gravitacije pravi: vsa telesa se med seboj privlačijo, sila njihove privlačnosti pa je premo sorazmerna z maso vsakega od teles in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njimi:
F = G * (m_1 * m_2) / r^2,
kjer je F velikost vektorja privlačnosti med telesi, m_1 in m_2 sta masi teh teles, r je razdalja med telesi, G je gravitacijska konstanta.
Gravitacijska konstanta je številčno enaka sili, ki obstaja med telesi z maso 1 kg, ki se nahajajo na razdalji 1 metra. Ta vrednost je bila ugotovljena eksperimentalno: G=6,67*〖10〗^(-11) N* m^2⁄〖kg〗^2.
Če se vrnemo k prvotnemu vprašanju: "Ali privlačimo Zemljo?", lahko z gotovostjo odgovorimo: "Da." Po tretjem Newtonovem zakonu Zemljo privlačimo s popolnoma enako silo, s katero Zemlja privlači nas. To silo je mogoče izračunati iz zakona univerzalne gravitacije.
In po drugem Newtonovem zakonu je vpliv teles drug na drugega s katero koli silo izražen v obliki pospeška, ki ga prenašajo drug drugemu. Toda pridobljeni pospešek je odvisen od mase telesa.
Masa Zemlje je velika in nam daje gravitacijski pospešek. In naša masa je zanemarljiva v primerjavi z Zemljo, zato je pospešek, ki ga damo Zemlji, praktično enak nič. Zato nas Zemlja privlači in hodimo po njej in ne obratno.
I. Newtonu je uspelo iz Keplerjevih zakonov razbrati enega temeljnih zakonov narave – zakon univerzalne gravitacije. Newton je vedel, da je za vse planete v sončnem sistemu pospešek obratno sorazmeren s kvadratom razdalje od planeta do Sonca in da je sorazmernostni koeficient enak za vse planete.
Iz tega najprej sledi, da mora biti sila privlačnosti, ki deluje s Sonca na planet, sorazmerna z maso tega planeta. Pravzaprav, če je pospešek planeta podan s formulo (123.5), potem sila, ki povzroča pospešek
kje je masa tega planeta. Po drugi strani pa je Newton poznal pospešek, ki ga Zemlja posreduje Luni; določeno je bilo iz opazovanj gibanja Lune, ko kroži okoli Zemlje. Ta pospešek je približno enkrat manjši od pospeška, ki ga Zemlja posreduje telesom blizu Zemljine površine. Razdalja od Zemlje do Lune je približno enaka polmerom Zemlje. Z drugimi besedami, Luna je nekajkrat dlje od središča Zemlje kot telesa, ki se nahajajo na površju Zemlje, njen pospešek pa je nekajkrat manjši.
Če sprejmemo, da se Luna giblje pod vplivom Zemljine gravitacije, potem sledi, da se sila Zemljine gravitacije, tako kot sila Sončeve gravitacije, zmanjšuje v obratnem sorazmerju s kvadratom oddaljenosti od središča Zemlje. . Končno je gravitacijska sila Zemlje premosorazmerna z maso telesa, ki ga privlači. Newton je to ugotovil v poskusih z nihali. Ugotovil je, da nihajna doba nihala ni odvisna od njegove mase. To pomeni, da daje Zemlja nihalom različnih mas enak pospešek in je posledično sila težnosti Zemlje sorazmerna z maso telesa, na katerega deluje. Enako seveda sledi iz istega gravitacijskega pospeška za telesa različnih mas, vendar poskusi z nihali omogočajo to dejstvo preveriti z večjo natančnostjo.
Te podobne lastnosti gravitacijskih sil Sonca in Zemlje so pripeljale Newtona do zaključka, da je narava teh sil enaka in da obstajajo sile univerzalne gravitacije, ki delujejo med vsemi telesi in se zmanjšujejo v obratnem sorazmerju s kvadratom razdalje. med telesi. V tem primeru mora biti gravitacijska sila, ki deluje na dano telo z maso, sorazmerna z maso.
Na podlagi teh dejstev in premislekov je Newton formuliral zakon univerzalne gravitacije na naslednji način: kateri koli dve telesi se med seboj privlačita s silo, ki je usmerjena vzdolž premice, ki ju povezuje in je premo sorazmerna z masama obeh teles in obratno sorazmerna z kvadrat razdalje med njima, torej medsebojne gravitacijske sile
kjer in so mase teles, je razdalja med njimi in je sorazmernostni koeficient, imenovan gravitacijska konstanta (metoda merjenja bo opisana spodaj). Če združimo to formulo s formulo (123.4), vidimo, da je , kjer je masa Sonca. Sile univerzalne gravitacije zadoščajo tretjemu Newtonovemu zakonu. To so potrdila vsa astronomska opazovanja gibanja nebesnih teles.
V tej formulaciji velja zakon univerzalne gravitacije za telesa, ki jih lahko štejemo za materialne točke, torej za telesa, med katerimi je razdalja zelo velika glede na njihovo velikost, sicer bi bilo treba upoštevati, da so različne točke teles so med seboj ločeni na različnih razdaljah. Za homogena kroglasta telesa formula velja za poljubno razdaljo med telesi, če za vrednost vzamemo razdaljo med njihovimi središči. Zlasti v primeru privlačnosti telesa z Zemljo je treba razdaljo šteti od središča Zemlje. To pojasnjuje dejstvo, da se gravitacijska sila skoraj ne zmanjša, ko se višina nad Zemljo poveča (§ 54): ker je polmer Zemlje približno 6400, potem ko se položaj telesa nad Zemljino površino spremeni v celo desetinah kilometrov ostane gravitacijska sila Zemlje praktično nespremenjena.
Gravitacijsko konstanto je mogoče določiti z merjenjem vseh drugih količin, ki so vključene v zakon univerzalne gravitacije za vsak poseben primer.
Prvič je bilo mogoče določiti vrednost gravitacijske konstante z uporabo torzijskih tehtnic, katerih struktura je shematično prikazana na sl. 202. Na dolgi in tanki nitki je obešena lahka kolebnica, na koncih katere sta pritrjeni dve enaki krogli mase. Gugalnica je opremljena z ogledalom, ki omogoča optično merjenje majhnih vrtljajev gugalnice okoli navpične osi. Dvema kroglicama z bistveno večjo maso se lahko z različnih strani približamo žogicama.
riž. 202. Shema torzijskih tehtnic za merjenje gravitacijske konstante
Sile privlačnosti majhnih žogic k velikim ustvarjajo par sil, ki vrtijo zibalnik v smeri urinega kazalca (gledano od zgoraj). Z merjenjem kota, pod katerim se nihajna roka vrti, ko se približuje kroglicam kroglic, in poznavanjem elastičnih lastnosti niti, na kateri je nihajna roka obešena, je mogoče določiti moment para sil, s katerim mase privlačijo množice. Ker sta znani masi kroglic in razdalja med njihovimi središči (pri danem položaju zibalnika), je vrednost mogoče najti iz formule (124.1). Izkazalo se je enako
Po določitvi vrednosti se je izkazalo, da je mogoče maso Zemlje določiti iz zakona univerzalne gravitacije. Dejansko v skladu s tem zakonom telo mase, ki se nahaja na površini Zemlje, privlači Zemljo s silo
kjer je masa Zemlje in je njen polmer. Po drugi strani pa to vemo. Če izenačimo te količine, ugotovimo
.
Čeprav so torej sile univerzalne gravitacije, ki delujejo med telesi različnih mas, enake, telo z majhno maso prejme znaten pospešek, telo z veliko maso pa doživi majhen pospešek.
Ker je skupna masa vseh planetov Osončja nekoliko večja od mase Sonca, je pospešek, ki ga Sonce doživi zaradi delovanja gravitacijskih sil planetov nanj, zanemarljiv v primerjavi s pospeški, ki jih gravitacijska sila Sonca, ki jo prenaša na planete. Tudi gravitacijske sile, ki delujejo med planeti, so relativno majhne. Zato pri obravnavi zakonov planetarnega gibanja (Keplerjevih zakonov) nismo upoštevali samega gibanja Sonca in smo približno predpostavili, da so tirnice planetov eliptične orbite, v enem od žarišč katerih se nahaja Sonce. . Vendar pa je treba pri natančnih izračunih upoštevati tiste "motnje", ki jih gravitacijske sile drugih planetov vnašajo v gibanje samega Sonca ali katerega koli planeta.
124.1. Za koliko se bo zmanjšala sila težnosti, ki deluje na izstrelek rakete, ko se dvigne 600 km nad zemeljsko površino? Polmer Zemlje je 6400 km.
124.2. Masa Lune je 81-krat manjša od mase Zemlje, polmer Lune pa je približno 3,7-krat manjši od polmera Zemlje. Poiščite težo osebe na Luni, če je njegova teža na Zemlji 600N.
124.3. Masa Lune je 81-krat manjša od mase Zemlje. Na premici, ki povezuje središči Zemlje in Lune, poiščite točko, v kateri sta gravitacijski sili Zemlje in Lune, ki delujeta na telo, ki je v tej točki, enaki.
Zakon univerzalne gravitacije je odkril Newton leta 1687 med preučevanjem gibanja luninega satelita okoli Zemlje. Angleški fizik je jasno oblikoval postulat, ki označuje sile privlačnosti. Poleg tega je Newton z analizo Keplerjevih zakonov izračunal, da morajo gravitacijske sile obstajati ne le na našem planetu, ampak tudi v vesolju.
Ozadje
Zakon univerzalne gravitacije se ni rodil spontano. Že od antičnih časov so ljudje preučevali nebo, predvsem za sestavljanje kmetijskih koledarjev, izračunavanje pomembnih datumov in verskih praznikov. Opazovanja so pokazala, da je v središču »sveta« Luminar (Sonce), okoli katerega se v orbitah vrtijo nebesna telesa. Kasneje cerkvene dogme tega niso dovolile upoštevati in ljudje so izgubili znanje, nabrano tisoče let.
V 16. stoletju, pred iznajdbo teleskopov, se je pojavila galaksija astronomov, ki so v nebo gledali na znanstven način, pri čemer so zavrgli cerkvene prepovedi. T. Brahe, ki je dolga leta opazoval vesolje, je še posebej skrbno sistematiziral gibanje planetov. Ti zelo natančni podatki so I. Keplerju kasneje pomagali odkriti svoje tri zakone.
V času, ko je Isaac Newton odkril gravitacijski zakon (1667), je bil v astronomiji dokončno uveljavljen heliocentrični sistem sveta N. Kopernika. V skladu z njim se vsak od planetov sistema vrti okoli Sonca v orbitah, ki jih s približkom, ki zadostuje za številne izračune, lahko štejemo za krožne. V začetku 17. stol. I. Kepler je z analizo del T. Braheja vzpostavil kinematične zakone, ki označujejo gibanje planetov. Odkritje je postalo temelj za pojasnitev dinamike gibanja planetov, torej sil, ki določajo prav to vrsto njihovega gibanja.
Opis interakcije
Za razliko od kratkotrajnih šibkih in močnih interakcij imajo gravitacijska in elektromagnetna polja lastnosti dolgega dosega: njihov vpliv se kaže na ogromnih razdaljah. Na mehanske pojave v makrokozmosu vplivata dve sili: elektromagnetna in gravitacijska. Vpliv planetov na satelite, let vrženega ali izstreljenega predmeta, lebdenje telesa v tekočini - v vsakem od teh pojavov delujejo gravitacijske sile. Te predmete privlači planet in gravitirajo proti njemu, od tod tudi ime "zakon univerzalne gravitacije".
Dokazano je, da med fizičnimi telesi zagotovo obstaja sila medsebojne privlačnosti. Pojavi, kot so padec predmetov na Zemljo, vrtenje Lune in planetov okoli Sonca, ki se pojavljajo pod vplivom sil univerzalne gravitacije, se imenujejo gravitacijski.
Zakon univerzalne gravitacije: formula
Univerzalna gravitacija je formulirana na naslednji način: katera koli dva materialna predmeta privlačita drug drugega z določeno silo. Velikost te sile je neposredno sorazmerna z zmnožkom mas teh predmetov in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njimi:
V formuli sta m1 in m2 masi preučevanih materialnih predmetov; r razdalja, določena med središči mase izračunanih predmetov; G je konstantna gravitacijska količina, ki izraža silo, s katero pride do medsebojnega privlačenja dveh predmetov, težkih po 1 kg, ki se nahajata na razdalji 1 m.
Od česa je odvisna sila privlačnosti?
Gravitacijski zakon deluje različno glede na regijo. Ker je gravitacijska sila odvisna od vrednosti zemljepisne širine na določenem območju, ima podobno tudi gravitacijski pospešek na različnih mestih različne vrednosti. Sila gravitacije in s tem pospešek prostega pada ima največjo vrednost na polih Zemlje - sila gravitacije na teh točkah je enaka sili privlačnosti. Najmanjše vrednosti bodo na ekvatorju.
Globus je rahlo sploščen, njegov polmer je približno 21,5 km manjši od ekvatorialnega polmera. Vendar je ta odvisnost manj pomembna v primerjavi z dnevno rotacijo Zemlje. Izračuni kažejo, da je zaradi sploščenosti Zemlje na ekvatorju velikost gravitacijskega pospeška nekoliko manjša od njegove vrednosti na polu za 0,18%, po dnevni rotaciji pa za 0,34%.
Vendar pa je na istem mestu na Zemlji kot med smernimi vektorji majhen, zato je neskladje med silo privlačnosti in gravitacijsko silo nepomembno in ga je pri izračunih mogoče zanemariti. To pomeni, da lahko domnevamo, da so moduli teh sil enaki - gravitacijski pospešek blizu zemeljske površine je povsod enak in znaša približno 9,8 m/s².
Zaključek
Isaac Newton je bil znanstvenik, ki je naredil znanstveno revolucijo, popolnoma na novo zgradil principe dinamike in na njihovi podlagi ustvaril znanstveno sliko sveta. Njegovo odkritje je vplivalo na razvoj znanosti ter ustvarjanje materialne in duhovne kulture. Newtonova usoda je padla na revizijo rezultatov ideje o svetu. V 17. stoletju Znanstveniki so zaključili veličastno delo izgradnje temeljev nove znanosti - fizike.
