Гравитација је најмоћнија сила у Универзуму, једна од четири темељне основе универзума, која одређује њену структуру. Једном, захваљујући њој, настале су планете, звезде и целе галаксије. Данас држи Земљу у орбити на свом бескрајном путовању око Сунца.
Атракција је од велике важности за свакодневни живот човека. Захваљујући овој невидљивој моћи, океани нашег света пулсирају, реке теку, капи кише падају на земљу. Од детињства осећамо тежину нашег тела и околних објеката. Утицај гравитације на нашу економску активност је огроман.
Прву теорију гравитације створио је Исак Њутн крајем КСВИИ века. Његов Закон о свету описује ову интеракцију у оквиру класичне механике. Широко је овај феномен описао Еинстеин у својој опћој теорији релативности, која је објављена почетком прошлог стољећа. Процеси који се одвијају са снагом елементарних честица требају објаснити квантну теорију гравитације, али она тек треба да се створи.
Данас знамо о природи гравитације много више него у време Њутна, али, упркос вековној студији, она и даље остаје прави камен спотицања модерне физике. У постојећој теорији гравитације, постоји много белих тачака, и још увек не разумемо тачно шта је узрок, и како се та интеракција преноси. И наравно, веома смо далеко од могућности да контролишемо силу гравитације, тако да ће антигравитација или левитација дуго постојати само на страницама романа научне фантастике.
Шта је пало на Невтонову главу?
Људи су размишљали о природи силе, која у свако доба привлачи објекте на земљу, али је Исак Њутн успео да подигне вео тајновитости тек у седамнаестом веку. Основа за његово откриће су радови Кеплера и Галилеја - сјајних научника који су проучавали кретање небеских тела.
Још један и по век пре Њутновог закона света, пољски астроном Коперник је веровао да је привлачност "... ништа осим природне тенденције којом отац Универзума дарује све честице, односно да се уједини у једну целину, формирајући сферна тела". Десцартес је привлачност сматрао последицом пертурбација у светском етеру. Грчки филозоф и научник Аристотел је био убеђен да маса утиче на брзину пада тијела. И само Галилеј Галилеј крајем КСВИ века доказао је да то није истина: ако нема отпора ваздуха, сви објекти се убрзавају на исти начин.
Супротно уобичајеној легенди о глави и јабуци, Њутн је више од двадесет година схватио природу гравитације. Његов закон гравитације је једно од најзначајнијих научних открића свих времена и народа. Она је универзална и омогућава израчунавање путања небеских тела и прецизно описује понашање објеката око нас. Класична теорија неба поставила је темеље небеске механике. Њутнов три закона дао је научницима прилику да открију нове планете буквално "на врху оловке", након свега, захваљујући њима, човек је био у стању да превазиђе земљину гравитацију и да лети у свемир. Донели су строгу научну основу у оквиру филозофског концепта материјалног јединства универзума, у којем су сви природни феномени међусобно повезани и контролисани општим физичким правилима.
Њутн није само објавио формулу за израчунавање силе која привлачи тела једни другима, он је створио комплетан модел, који је такође укључивао математичку анализу. Ови теоретски закључци су више пута потврђени у пракси, укључујући и коришћење најсавременијих метода.
У Невтоновој теорији, сваки материјални објекат ствара поље привлачења, које се назива гравитационо. Штавише, сила је пропорционална маси оба тела и обрнуто пропорционална растојању између њих:
Ф = (Г м1 м2) / р2
Г је гравитациона константа, која је 6.67 × 10−11 м³ / (кг · с²). Први пут је успио израчунати Хенриа Цавендисха 1798. године.
У свакодневном животу иу примењеним дисциплинама, сила којом земља привлачи тело назива се њена тежина. Привлачност између било којих два материјална објекта у Универзуму је оно што је гравитација једноставним ријечима.
Сила привлачности је најслабија од четири фундаменталне интеракције физике, али захваљујући својим особинама она је у стању да регулише кретање звезданих система и галаксија:
- Атракција ради на било којој удаљености, то је главна разлика између гравитације и јаких и слабих нуклеарних интеракција. Са повећањем удаљености, његово дејство се смањује, али никада не постаје нула, тако да можемо рећи да чак два атома на различитим крајевима галаксије имају заједнички ефекат. То је врло мало;
- Гравитација је универзална. Поље привлачности је својствено сваком материјалном тијелу. Научници још нису открили на нашој планети или у простору објекат који не би учествовао у интеракцији овог типа, тако да је улога гравитације у животу Универзума огромна. Ово се разликује од електромагнетне интеракције, чији је ефекат на свемирске процесе минималан, јер је у природи већина тела електрично неутрална. Гравитационе силе не могу бити ограничене или приказане;
- Делује не само на материју, већ и на енергију. За њега, хемијски састав објеката није важан, само њихова маса игра улогу.
Користећи Невтонову формулу, моћ привлачења се може лако израчунати. На пример, гравитација на Месецу је неколико пута мања него на Земљи, јер наш сателит има релативно малу масу. Али то је довољно да се формирају редовне осеке и токови у океанима. На Земљи, убрзање слободног пада је око 9,81 м / с2. А на половима је нешто већи него на екватору.
Упркос огромном значају за даљи развој науке, Њутнови закони имали су низ слабих тачака које нису дале одмор истраживачима. Није било јасно како гравитација делује кроз апсолутно празан простор за огромне удаљености и незамисливом брзином. Поред тога, подаци су постепено почели да се акумулирају, што је у супротности са Невтоновим законима: на пример, гравитациони парадокс или померање перихелија Меркура. Постало је очигледно да теорија универзалне агресије захтева усавршавање. Ова част пала је на бриљантан немачки физичар Алберт Ајнштајн.
Атракција и теорија релативности
Њутнов одбијање да дискутује о природи гравитације („не измишљам хипотезе“) била је очигледна слабост његовог концепта. Није изненађујуће да су се у наредним годинама појавиле многе теорије гравитације.
Већина њих је припадала такозваним хидродинамичким моделима, који су покушали да оправда појаву механичке интеракције материјалних објеката са неком међупроизводом која има одређена својства. Истраживачи су то назвали другачије: "вакуум", "етар", "гравитонски ток", итд. У овом случају, сила привлачења између тела настала је као резултат промене ове супстанце, када су је апсорбовали објекти или просејани токови. У стварности, све те теорије су имале један озбиљан недостатак: прилично прецизно предвиђање зависности гравитационе силе од удаљености, морали су да доведу до успоравања тела која су се кретала у односу на „етер“ или „гравитонски флукс“.
Ајнштајн је приступио овом питању из другачијег угла. У својој опћој теорији релативности (ГТР), гравитација се не посматра као интеракција сила, већ као својство самог простора-времена. Сваки објекат који има масу доводи до његове закривљености, што изазива привлачност. У овом случају гравитација је геометријски ефекат, који се разматра у оквиру нееуклидске геометрије.
Једноставно речено, просторно-временски континуум утиче на материју, узрокујући њено кретање. А то, заузврат, утиче на простор, "упирући" га како се савити.
Снаге привлачења делују у микрокосмосу, али је на нивоу елементарних честица њихов утицај, у поређењу са електростатичком интеракцијом, занемарљив. Физичари верују да гравитациона интеракција није била лошија у односу на друге у првим тренуцима (10-43 секунде) након Великог праска.
Тренутно, концепт гравитације, предложен у опћој теорији релативности, главна је радна хипотеза прихваћена од већине научне заједнице и потврђена резултатима бројних експеримената.
Ајнштајн је у свом раду предвидио невероватне ефекте гравитационих сила, од којих је већина већ потврђена. На пример, могућност масивних тела да савијају светлосне зраке и чак успоравају проток времена. Потоњи феномен се нужно узима у обзир при управљању глобалним сателитским навигацијским системима као што су ГЛОНАСС и ГПС, иначе би за неколико дана њихова грешка износила неколико десетака километара.
Поред тога, последица Ајнштајнове теорије су такозвани суптилни ефекти гравитације, као што су гравитационо магнетно поље и инерција инерцијалних референтних система (такође познати као Ленсе-Тхирринг ефекат). Ове манифестације силе су толико слабе да дуго времена нису могле бити откривене. Само 2005. године, захваљујући јединственој мисији НАСА Гравити Пробе Б, потврђен је ефекат Ленсе-Тхирринг.
Гравитацијско зрачење или најосновније откриће посљедњих година
Гравитациони таласи су осцилације геометријске просторно-временске структуре која се шири брзином светлости. Постојање овог феномена је такође предвидио Ајнштајн у општој релативности, али због слабости силе, његова величина је веома мала, тако да се не може открити дуго времена. Само постојање индиректних доказа говорило је у корист постојања зрачења.
Такви таласи генеришу материјалне објекте који се крећу са асиметричним убрзањем. Научници их описују као "простор-време". Најснажнији извори таквог зрачења су галаксије које се сударају и колапсирајући системи који се састоје од два објекта. Типичан пример последњег случаја је спајање црних рупа или неутронских звезда. У таквим процесима, гравитационо зрачење може проћи више од 50% укупне масе система.
Гравитациони таласи су први пут откривени 2015. године користећи двије ЛИГО опсерваторије. Скоро одмах, овај догађај је добио статус највећег открића у физици последњих деценија. У 2017. додијељена му је Нобелова награда. Након тога, научници су неколико пута успели да фиксирају гравитационо зрачење.
Још у 70-им годинама прошлог века - много пре експерименталне потврде - научници су предложили коришћење гравитационог зрачења за комуникацију на даљину. Њена несумњива предност је висока способност проласка кроз било коју супстанцу без апсорпције. Али у садашњем тренутку то је једва могуће, јер постоје огромне тешкоће са генерисањем и пријемом ових таласа. Да, и стварно знање о природи гравитације није довољно.
Данас постоји неколико инсталација у различитим земљама широм света, слично као ЛИГО, а граде се нове. Врло је вјероватно да ћемо у блиској будућности сазнати више о гравитацијском зрачењу.
Алтернативне теорије светске ширине и разлози њиховог стварања
Тренутно је доминантан концепт гравитације ГР. Она се слаже са читавим постојећим низом експерименталних података и запажања. Истовремено, има велики број отворено слабих тачака и контроверзних тачака, стога покушаји стварања нових модела који објашњавају природу гравитације не престају.
Све теорије свјетске перцепције које су до сада развијене могу се подијелити у неколико главних група:
- стандард;
- алтернативе;
- куантум;
- теорија једног поља.
Покушаји стварања новог концепта широм свијета направљени су у КСИКС вијеку. Различити аутори су укључивали етар или корпускуларну теорију светлости. Али појава ГР-а је окончала ова истраживања. Након објављивања, циљ научника се промијенио - сада су њихови напори били усмјерени на побољшање Еинстеиновог модела, укључујући нове природне феномене у њему: леђа честица, ширење Универзума итд.
Почетком осамдесетих година, физичари су експериментално одбацили све појмове, осим оних који су укључивали ГТР као интегрални дио. У то време, дошао је у моду "теорија струна", која је изгледала веома обећавајуће. Али искусна потврда ових хипотеза није пронађена. Током протеклих деценија, наука је достигла значајне висине и акумулирала је широк спектар емпиријских података. Данас су покушаји стварања алтернативних теорија гравитације инспирисани углавном космолошким истраживањима везаним за концепте као што су "тамна материја", "инфлација", "тамна енергија".
Један од главних задатака модерне физике је уједињење два основна правца: квантна теорија и општа релативност. Научници настоје да повежу привлачност са другим типовима интеракција, стварајући тако "теорију свега". То је управо оно што квантна гравитација ради - грану физике која покушава дати квантни опис гравитационе интеракције. Грану овог правца представља теорија гравитације петљи.
Упркос активним и дугорочним напорима, овај циљ још није постигнут. А ствар није ни у сложености овог задатка: једноставно је да је основа квантне теорије и ГР потпуно различите парадигме. Квантна механика ради са физичким системима који делују у позадини обичног простора-времена. И у теорији релативности, простор-време је сама по себи динамичка компонента, у зависности од параметара класичних система који се у њему налазе.
Поред научних хипотеза света, постоје и теорије које су далеко од модерне физике. Нажалост, посљедњих година овакав "опус" управо је преплавио интернет и полице књижара. Неки аутори таквих дела генерално обавештавају читаоца да гравитација не постоји, а закони Њутна и Ајнштајна су изуми и мистификације.
Пример је дело "научника" Николаја Левасхова, који тврди да Њутн није открио закон света, а само планете и наш месец, месец, имају гравитациону силу у Сунчевом систему. Докази о овом "руском научнику" су прилично чудни. Један од њих је лет америчке НЕАР Схоемакер сонде на астероид Ерос, који је одржан 2000. године. Одсуство привлачења између сонде и небеског тела Левасхов сматра доказом лажи Невтонових дела и завере физичара који крију истину о гравитацији од људи.
Заправо, свемирска летелица је успјешно завршила своју мисију: прво, отишла је у орбиту астероида, а затим на мекану површину.
Вештачка гравитација и зашто је потребна
Два концепта су повезана са гравитацијом, која је, упркос тренутном теоретском статусу, добро позната широј јавности. Ова антигравитација и вештачка гравитација.
Антигравитација је процес супротстављања сили гравитације, који га може значајно смањити или чак замијенити одбијањем. Овладавање овом технологијом довело би до стварне револуције у транспорту, авијацији, истраживању свемира и радикално променило цео наш живот. Али сада, могућност антигравитације нема чак ни теоријску потврду. Штавише, на основу ГТР-а, овај феномен уопште није изводљив, јер не може бити негативне масе у нашем Универзуму. Могуће је да ћемо у будућности више научити о гравитацији и научити како градити авионе на основу овог принципа.
Вештачка гравитација је људска измена постојеће силе гравитације. Данас нам не треба таква технологија, али ситуација ће се дефинитивно променити након почетка дугорочних свемирских путовања. А ствар је у нашој физиологији. Људско тело, "навикнуто" милионима година еволуције на константну гравитацију Земље, изузетно је негативно у погледу ефеката смањене гравитације. Дуготрајан боравак чак иу условима лунарне гравитације (шест пута слабији од Земљине) може довести до тужних посљедица. Илузија привлачности може се створити употребом других физичких сила, као што је инерција. Међутим, ове опције су сложене и скупе. 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.
