Gravitacija je najmoćnija sila u svemiru, jedna od četiri temeljne osnove svemira, koja određuje njezinu strukturu. Jednom, zahvaljujući njoj, nastali su planeti, zvijezde i cijele galaksije. Danas zadržava Zemlju u orbiti na svom beskrajnom putovanju oko Sunca.
Atrakcija je od velike važnosti za svakodnevni život čovjeka. Zahvaljujući toj nevidljivoj moći, oceani našeg svijeta pulsiraju, rijeke teku, kapi kiše padaju na tlo. Od djetinjstva osjećamo težinu našeg tijela i okolnih predmeta. Utjecaj gravitacije na našu gospodarsku aktivnost je ogroman.
Prvu teoriju gravitacije stvorio je Isaac Newton krajem XVII. Stoljeća. Njegov Zakon o svijetu opisuje tu interakciju u okviru klasične mehanike. Široko je ovaj fenomen opisao Einstein u svojoj općoj teoriji relativnosti, koja je objavljena početkom prošlog stoljeća. Procesi koji se odvijaju sa snagom elementarnih čestica trebali bi objasniti kvantnu teoriju gravitacije, ali ona tek treba biti stvorena.
Danas znamo o prirodi gravitacije mnogo više nego u vrijeme Newtona, ali unatoč stoljećima proučavanja, ona i dalje ostaje pravi kamen spoticanja moderne fizike. U postojećoj teoriji gravitacije postoje mnoge bijele točke, a mi još uvijek ne razumijemo što je uzrok te kako se ta interakcija prenosi. I, naravno, jako smo daleko od mogućnosti da kontroliramo silu gravitacije, tako da će antigravitacija ili levitacija dugo postojati samo na stranicama romana znanstvene fantastike.
Što je palo na Newtonovu glavu?
Ljudi su razmišljali o prirodi sile koja uvijek privlači predmete, ali Isaac Newton uspio je podići veo tajnovitosti tek u sedamnaestom stoljeću. Osnova za njegov proboj postavili su djela Keplera i Galileja - sjajnih znanstvenika koji su proučavali kretanje nebeskih tijela.
Još jedan i pol stoljeća prije Newtonovog zakona svijeta, poljski astronom Kopernik smatrao je da je privlačnost "... ništa osim prirodne tendencije kojom otac svemira daruje sve čestice, odnosno da se ujedini u jednu cjelinu, formirajući sferna tijela". Descartes smatra privlačnost posljedicom poremećaja u svjetskom eteru. Grčki filozof i znanstvenik Aristotel bio je uvjeren da masa utječe na brzinu pada tijela. I samo Galileo Galilei krajem XVI. Stoljeća dokazuje da to nije istina: ako nema otpora zraka, svi objekti se ubrzavaju na isti način.
Suprotno uobičajenoj legendi o glavi i jabuci, Newton je više od dvadeset godina shvatio prirodu gravitacije. Njegov zakon gravitacije jedno je od najznačajnijih znanstvenih otkrića svih vremena i naroda. On je univerzalan i omogućuje izračunavanje putanja nebeskih tijela i točno opisuje ponašanje objekata oko nas. Klasična teorija neba postavila je temelje nebeske mehanike. Newtonova tri zakona omogućila su znanstvenicima da otkriju nove planete doslovno "na vrhu olovke", nakon svega, zahvaljujući njima, čovjek je mogao prevladati gravitaciju Zemlje i letjeti u svemir. Donijeli su strogu znanstvenu osnovu pod filozofskim konceptom materijalnog jedinstva svemira, u kojem su svi prirodni fenomeni međusobno povezani i kontrolirani općim fizičkim pravilima.
Newton nije samo objavio formulu za izračunavanje sile koja privlači tijela jedni drugima, on je stvorio kompletan model, koji je također uključivao matematičku analizu. Ovi teoretski zaključci su u praksi više puta potvrđeni, uključujući i primjenu najmodernijih metoda.
U Newtonovoj teoriji, svaki materijalni objekt stvara polje privlačenja, koje se naziva gravitacijsko. Štoviše, sila je proporcionalna masi oba tijela i obrnuto proporcionalna udaljenosti između njih:
F = (Gm1 m2) / r2
G je gravitacijska konstanta, koja je 6.67 × 10−11 m³ / (kg · s²). Najprije je uspio izračunati Henrya Cavendisha 1798.
U svakodnevnom životu i primijenjenim disciplinama, sila kojom zemlja privlači tijelo naziva se njezinom težinom. Privlačnost između bilo kojih dva materijalna objekta u svemiru je ono što je gravitacija jednostavnim riječima.
Sila privlačnosti je najslabija od četiri temeljne interakcije fizike, ali zahvaljujući svojim značajkama može regulirati gibanje zvjezdanih sustava i galaksija:
- Privlačnost djeluje na bilo kojoj udaljenosti, to je glavna razlika između gravitacije i jakih i slabih nuklearnih interakcija. Sa povećanjem udaljenosti, njegovo djelovanje se smanjuje, ali nikada ne postaje nula, tako da možemo reći da čak dva atoma na različitim krajevima galaksije imaju uzajamno djelovanje. To je vrlo malo;
- Gravitacija je univerzalna. Područje privlačnosti inherentno je svakom materijalnom tijelu. Znanstvenici još nisu otkrili na našem planetu ili u svemiru objekt koji ne bi sudjelovao u interakciji ovog tipa, pa je uloga gravitacije u životu Svemira ogromna. To se razlikuje od elektromagnetske interakcije, čiji je učinak na svemirske procese minimalan, budući da je u prirodi većina tijela električno neutralna. Gravitacijske sile ne mogu se ograničiti ili pregledati;
- Djeluje ne samo na materiju, nego i na energiju. Za njega kemijski sastav objekata nije važan, samo njihova masa ima ulogu.
Koristeći Newtonovu formulu, moć privlačenja može se lako izračunati. Na primjer, gravitacija na Mjesecu je nekoliko puta manja od Zemlje, jer naš satelit ima relativno malu masu. No, to je dovoljno za formiranje pravilnih oseka i tokova u oceanima. Na Zemlji je ubrzanje slobodnog pada približno 9,81 m / s2. A na polovima je nešto veći nego na ekvatoru.
Unatoč ogromnoj važnosti za daljnji razvoj znanosti, Newtonovi zakoni imali su niz slabih točaka koje istraživačima nisu davale odmor. Nije bilo jasno kako gravitacija djeluje kroz apsolutno prazan prostor za goleme udaljenosti i nezamislivom brzinom. Osim toga, podaci su se postupno počeli nagomilavati, što je u suprotnosti s Newtonovim zakonima: na primjer, gravitacijski paradoks ili pomak perihelija Merkura. Postalo je očito da teorija univerzalne agresije zahtijeva usavršavanje. Ta je čast pala na briljantan njemački fizičar Albert Einstein.
Atrakcija i teorija relativnosti
Newtonovo odbijanje da raspravlja o prirodi gravitacije ("ne izmišljam hipoteze") bila je očigledna slabost njegovog koncepta. Nije iznenađujuće da su se u sljedećim godinama pojavile mnoge teorije gravitacije.
Većina njih pripadala je takozvanim hidrodinamičkim modelima, koji su pokušali opravdati pojavu mehaničke interakcije materijalnih objekata s nekom međuproizvodom koja ima određena svojstva. Istraživači su to nazvali drugačije: "vakuum", "eter", "gravitonski tok", itd. U ovom slučaju, sila privlačenja između tijela nastala je kao rezultat promjene ove tvari, kada su je apsorbirali predmeti ili probrani tokovi. U stvarnosti, sve te teorije imale su jedan ozbiljan nedostatak: prilično točno predviđanje ovisnosti gravitacijske sile o udaljenosti, morali su dovesti do usporavanja tijela koja su se kretala u odnosu na “eter” ili “gravitonski tok”.
Einstein je ovom problemu pristupio iz drugog kuta. U svojoj općoj teoriji relativnosti (GTR), gravitacija se ne promatra kao interakcija sila, već kao svojstvo samog prostor-vremena. Svaki objekt koji ima masu vodi do njegove zakrivljenosti, što uzrokuje privlačnost. U ovom slučaju gravitacija je geometrijski efekt, koji se razmatra u okviru neeuklidske geometrije.
Jednostavno rečeno, prostorno-vremenski kontinuum utječe na materiju, uzrokujući njezin pokret. A to, zauzvrat, utječe na prostor, "pokazujući" ga kako se saviti.
Snage privlačnosti djeluju u mikrokozmosu, ali je na razini elementarnih čestica njihov utjecaj, u usporedbi s elektrostatičkom interakcijom, zanemariv. Fizičari vjeruju da gravitacijska interakcija nije bila inferiorna u odnosu na druge u prvim trenucima (10 -43 sek.) Nakon Velikog praska.
Trenutno je koncept gravitacije, predložen u općoj teoriji relativnosti, glavna radna hipoteza koju je prihvatila većina znanstvene zajednice i potvrđena rezultatima brojnih eksperimenata.
Einstein je u svom radu predvidio nevjerojatne učinke gravitacijskih sila, od kojih je većina već potvrđena. Na primjer, mogućnost masivnih tijela da savijaju svjetlosne zrake, pa čak i usporavaju protok vremena. Potonji fenomen nužno se uzima u obzir pri upravljanju globalnim satelitskim navigacijskim sustavima kao što su GLONASS i GPS, inače bi za nekoliko dana njihova pogreška iznosila nekoliko desetaka kilometara.
Osim toga, posljedica Einsteinove teorije su takozvani suptilni učinci gravitacije, kao što su gravitacijsko magnetno polje i inercija inercijalnih referentnih sustava (također poznati kao Lense-Thirring efekt). Ove su manifestacije sile toliko slabe da se dugo nisu mogle otkriti. Samo u 2005., zahvaljujući jedinstvenoj misiji NASA-ine Gravity Probe B, potvrđen je učinak Lense-Thirring.
Gravitacijsko zračenje ili najosnovnije otkriće posljednjih godina
Gravitacijski valovi su oscilacije geometrijske prostorno-vremenske strukture koja se širi brzinom svjetlosti. Postojanje ovog fenomena je također predvidio Einstein u općoj relativnosti, ali zbog slabosti sile njegova je veličina vrlo mala, te se stoga nije mogla otkriti dugo vremena. Jedino neizravni dokazi govorili su u korist postojanja zračenja.
Takvi valovi stvaraju materijalne objekte koji se kreću asimetričnim ubrzanjem. Znanstvenici ih opisuju kao "prostor-vrijeme". Najsnažniji izvori takvog zračenja su galaksije sudara i sustavi urušavanja koji se sastoje od dva objekta. Tipičan primjer potonjeg slučaja je spajanje crnih rupa ili neutronskih zvijezda. U takvim procesima gravitacijsko zračenje može proći više od 50% ukupne mase sustava.
Gravitacijski su valovi prvi put otkriveni 2015. koristeći dvije LIGO opservatorije. Gotovo odmah, ovaj događaj dobio je status najvećeg otkrića u fizici posljednjih desetljeća. U 2017. dodijeljena mu je Nobelova nagrada. Nakon toga, znanstvenici su nekoliko puta uspjeli popraviti gravitacijsko zračenje.
Još u sedamdesetim godinama prošlog stoljeća - davno prije eksperimentalne potvrde - znanstvenici su predložili korištenje gravitacijskog zračenja za komunikaciju na daljinu. Njegova nesumnjiva prednost je visoka sposobnost prolaska kroz bilo koju tvar bez da se apsorbira. Ali u sadašnjem trenutku to je jedva moguće, jer postoje ogromne poteškoće s generiranjem i prijemom tih valova. Da, i stvarno znanje o prirodi gravitacije nije dovoljno.
Danas postoji nekoliko instalacija u različitim zemljama svijeta poput LIGO-a i grade se nove. Vrlo je vjerojatno da ćemo u bliskoj budućnosti saznati više o gravitacijskom zračenju.
Alternativne teorije svjetske širine i razlozi njihovog stvaranja
Trenutno je dominantan koncept gravitacije GR. Ona se slaže s cijelim postojećim nizom eksperimentalnih podataka i opažanja. Istodobno, ima veliki broj otvoreno slabih točaka i kontroverznih točaka, stoga pokušaji stvaranja novih modela koji objašnjavaju prirodu gravitacije ne prestaju.
Sve dosadašnje teorije svjetske percepcije mogu se podijeliti u nekoliko glavnih skupina:
- standard;
- alternativa;
- kvant;
- teorija jednog polja.
Pokušaji stvaranja novog koncepta širom svijeta napravljeni su u XIX stoljeću. Različiti su autori uključivali eter ili korpuskularnu teoriju svjetla. No pojava GR-a okončala je ova istraživanja. Nakon objavljivanja, cilj znanstvenika je promijenjen - sada su njihovi napori bili usmjereni na poboljšanje Einsteinovog modela, uključujući nove prirodne fenomene u njemu: leđa čestica, širenje svemira itd.
Početkom osamdesetih godina fizičari su eksperimentalno odbacili sve pojmove, osim onih koji su uključivali GTR kao sastavni dio. U to vrijeme, došao je u modu "teorija struna", koja je izgledala vrlo obećavajuće. Ali iskusna potvrda tih hipoteza nije pronađena. Tijekom proteklih desetljeća znanost je dostigla značajne visine i prikupila je širok spektar empirijskih podataka. Danas su pokušaji stvaranja alternativnih teorija gravitacije inspirirani uglavnom kozmološkim istraživanjima vezanim za koncepte kao što su "tamna tvar", "inflacija", "tamna energija".
Jedna od glavnih zadaća moderne fizike je ujedinjenje dva temeljna smjera: kvantna teorija i opća relativnost. Znanstvenici nastoje povezati privlačnost s drugim vrstama interakcija, stvarajući tako "teoriju svega". Upravo to radi kvantna gravitacija - granica fizike koja pokušava dati kvantni opis gravitacijske interakcije. Grana tog smjera je teorija gravitacije petlje.
Unatoč aktivnim i dugoročnim naporima, ovaj cilj još nije postignut. A stvar nije ni u složenosti ovog zadatka: to je jednostavno to što je osnova kvantne teorije i GR potpuno različite paradigme. Kvantna mehanika radi s fizičkim sustavima koji djeluju na pozadini uobičajenog prostor-vremena. I u teoriji relativnosti prostor-vrijeme je sama po sebi dinamička komponenta, ovisno o parametrima klasičnih sustava koji se u njemu nalaze.
Uz znanstvene hipoteze svijeta, postoje i teorije koje su daleko od moderne fizike. Nažalost, u posljednjih nekoliko godina, takav "opus" samo je preplavio internet i police knjižara. Neki autori takvih djela općenito izvještavaju čitatelja da gravitacija ne postoji, a zakoni Newtona i Einsteina su izumi i mistifikacije.
Primjer je djelo "znanstvenika" Nikolaja Levashova, koji tvrdi da Newton nije otkrio zakon svijeta, a samo planeti i naš mjesec, mjesec imaju gravitacijsku silu u Sunčevom sustavu. Dokazi o tom "ruskom znanstveniku" vode vrlo čudno. Jedan od njih je let američke NEAR Shoemaker sonde na asteroid Eros, koji se dogodio 2000. godine. Nepostojanje privlačnosti između sonde i nebeskog tijela Levashov smatra dokazima o neistinitosti Newtonovih djela i uroti fizičara koji skrivaju istinu o gravitaciji od ljudi.
Zapravo, svemirska letjelica je uspješno završila svoju misiju: najprije je ušla u orbitu asteroida, a zatim na mekanu površinu.
Umjetna gravitacija i zašto je potrebna
Dva koncepta povezana su s gravitacijom, koja su, unatoč trenutnom teoretskom statusu, dobro poznata široj javnosti. Ova antigravitacija i umjetna gravitacija.
Antigravitacija je proces suzbijanja sile gravitacije, koja ga može značajno smanjiti ili čak zamijeniti odbijanjem. Ovladavanje ovom tehnologijom dovelo bi do stvarne revolucije u transportu, zrakoplovstvu, istraživanju svemira i radikalno promijenilo cijeli naš život. Ali sada, mogućnost antigravitacije nema čak ni teorijsku potvrdu. Štoviše, na temelju GTR-a, ovaj fenomen uopće nije izvediv, jer u našem svemiru ne može biti negativne mase. Moguće je da ćemo u budućnosti više naučiti o gravitaciji i naučiti kako graditi zrakoplove na temelju tog načela.
Umjetna gravitacija je ljudska izmjena postojeće sile gravitacije. Danas nam takva tehnologija nije potrebna, ali situacija će se definitivno promijeniti nakon početka dugoročnih svemirskih putovanja. A stvar je u našoj fiziologiji. Ljudsko tijelo, "naviknuto" milijunima godina evolucije na konstantnu gravitaciju Zemlje, izuzetno je negativno u pogledu učinaka smanjene gravitacije. Dugotrajni boravak čak iu uvjetima lunarne gravitacije (šest puta slabiji od Zemljine) može dovesti do tužnih posljedica. Iluzija privlačnosti može se stvoriti uporabom drugih fizičkih sila, kao što je inercija. Međutim, te su opcije složene i skupe. 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.
