כוח הכבידה הוא הכוח החזק ביותר ביקום, אחד מארבעת יסודות היסוד של היקום, הקובע את מבנהו. פעם, בזכותה, כוכבי לכת, כוכבים וגלקסיות שלמות התעוררו. היום היא שומרת על כדור הארץ במסלולו הבלתי נגמר סביב השמש.
האטרקציה היא בעלת חשיבות רבה בחיי היומיום של האדם. הודות לכוח הבלתי נראה הזה, האוקיינוסים של העולם שלנו פועמים, נהרות זורמים, טיפות גשם נושרות על הקרקע. מאז הילדות, אנו מרגישים את המשקל של הגוף שלנו ואת האובייקטים הסובבים. השפעת הכבידה על הפעילות הכלכלית שלנו היא עצומה.
התיאוריה הראשונה של כוח הכבידה נוצרה על ידי אייזיק ניוטון בסוף המאה ה- XVII. חוק עולמו מתאר את האינטראקציה הזו במסגרת המכניקה הקלאסית. תופעה זו תוארה יותר על ידי איינשטיין בתורת היחסות הכללית שלו, אשר שוחררה בתחילת המאה הקודמת. התהליכים המתרחשים עם כוחם של החלקיקים היסודיים צריכים להסביר את תורת הקוונטים של כוח הכבידה, אך היא עדיין לא נוצרה.
היום אנו יודעים על אופי הכובד הרבה יותר מאשר בזמן ניוטון, אבל למרות מאות שנים של מחקר, זה עדיין מכשול אמיתי של הפיזיקה המודרנית. בתיאוריית הכבידה הקיימת, ישנם כתמים לבנים רבים, ועדיין איננו מבינים בדיוק מה גורם לכך, ואיך האינטראקציה הזו מועברת. וכמובן, אנחנו רחוקים מאוד מלהיות מסוגלים לשלוט בכוח הכבידה, כך שכוח המשיכה או הריחוף יהיו קיימים זמן רב רק על דפי ספרי המדע הבדיוני.
מה נפל על ראשו של ניוטון?
אנשים חשבו על טבעו של כוח, אשר מושך חפצים על הקרקע בכל עת, אבל אייזק ניוטון הצליח להרים את רעלה של סודיות רק במאה השבע עשרה. הבסיס לפריצת הדרך הניח את עבודותיהם של קפלר וגלילאו - מדענים מבריקים שחקרו את תנועות הגופים השמימיים.
עוד מאה וחמישים שנה לפני החוק הניוטוני של העולם, האסטרונום הפולני קופרניקוס האמין כי האטרקציה היא "... אלא הנטייה הטבעית שבה אבא של היקום מחונן את כל החלקיקים, כלומר להתאחד לתוך שלם שלם, יצירת גופים כדוריים". Descartes נחשב אטרקציה כתוצאה של הפרעות בעולם האתר. הפילוסוף והמדען היווני אריסטו היה משוכנע כי המסה משפיעה על מהירות הגופים הנופלים. ורק גלילאו גליליי בסוף המאה ה -16 הוכיח כי זה לא נכון: אם אין התנגדות אוויר, כל האובייקטים מואצים באותו אופן.
בניגוד לאגדה המקובלת על הראש ועל התפוח, ניוטון הלך להבנת אופי הכבידה במשך יותר מעשרים שנה. חוק הכבידה שלו הוא אחד הגילויים המדעיים המשמעותיים ביותר של כל הזמנים והעמים. הוא אוניברסלי ומאפשר לך לחשב את המסלולים של גופים שמימיים ומתאר במדויק את ההתנהגות של אובייקטים סביבנו. התיאוריה הקלאסית של השמים הניחה את היסודות של מכניקה שמימית. שלושת החוקים של ניוטון העניקו למדענים את ההזדמנות לגלות כוכבי לכת חדשים, פשוטו כמשמעו, "בקצה העט", אחרי הכל, הודות להם, האדם הצליח להתגבר על כוח המשיכה של כדור הארץ ולעוף לחלל. הם הביאו בסיס מדעי קפדני תחת המושג הפילוסופי של האחדות החומרית של היקום, שבו כל התופעות הטבעיות מקושרות ומבוקרות על ידי כללי פיסיקה כלליים.
ניוטון לא רק לפרסם נוסחה כדי לחשב את הכוח שמושך גופים זה לזה, הוא יצר מודל שלם, שכלל גם ניתוח מתמטי. מסקנות תיאורטיות אלו אושרו שוב ושוב בפועל, כולל שימוש בשיטות המודרניות ביותר.
בתיאוריה הניוטונית, כל אובייקט חומר מייצר שדה משיכה, הנקרא כבידה. יתר על כן, הכוח פרופורציונלי למסה של שני הגופים, ביחס הפוך למרחק ביניהם:
F = (G m1 m2) / r2
G הוא קבוע הכבידה, שהוא 6.67 × 10-11 m³ / (kg · s²). הוא היה הראשון לחשב הנרי Cavendish בשנת 1798.
בחיי היומיום ובדיסציפלינות יישומיות, הכוח שאליו מושך כדור הארץ את הגוף נקרא משקלו. האטרקציה בין שני אובייקטים חומריים ביקום היא מה כוח הכבידה הוא במילים פשוטות.
כוח המשיכה הוא החלש מבין ארבעת האינטראקציות הבסיסיות של הפיסיקה, אך הודות לתכונותיו הוא מסוגל לווסת את תנועת מערכות הכוכבים והגלקסיות:
- האטרקציה פועלת בכל מרחק, זהו ההבדל העיקרי בין כוח הכבידה לבין אינטראקציות גרעיניות חזקות וחלשות. עם הגדלת המרחק, הפעולה שלה יורדת, אבל זה אף פעם לא הופך אפס, אז אנחנו יכולים לומר כי אפילו שני אטומים בקצות שונים של הגלקסיה יש השפעה הדדית. זה רק קטן מאוד;
- כוח הכבידה הוא אוניברסלי. שדה המשיכה הוא טבוע בכל חומר גשמי. מדענים עדיין לא גילו על כוכב הלכת שלנו או בחלל אובייקט שלא היה שותף לאינטראקציה מסוג זה, ולכן תפקיד הכבידה בחיי היקום הוא עצום. זה שונה מהאינטראקציה האלקטרומגנטית, שהשפעתה על תהליכי החלל מזערית, כיוון שבטבע רוב הגופים הם נייטרליים מבחינה חשמלית. כוחות הגרביטציה אינם ניתנים להגבלה או להקרנה;
- זה פועל לא רק על החומר, אלא גם על אנרגיה. מבחינתו, ההרכב הכימי של חפצים אינו חשוב, רק המסה שלהם משחקת תפקיד.
באמצעות הנוסחה של ניוטון, כוח המשיכה ניתן לחשב בקלות. לדוגמה, כוח הכבידה על הירח קטן פי כמה מזה של כדור הארץ, כי ללוויין שלנו יש מסת קטן יחסית. אבל זה מספיק כדי ליצור קבוע ebbs ו זורם באוקיינוסים. על כדור הארץ, את ההתאוששות של נפילה חופשית הוא כ 9.81 m / s2. ובקטבים, היא קצת יותר גדולה מאשר בקו המשווה.
למרות החשיבות העצומה להתפתחות המדע, לחוקי ניוטון היו מספר נקודות תורפה שלא הניחו מנוחה לחוקרים. לא היה ברור כיצד כוח הכבידה פועל דרך חלל ריק לחלוטין למרחקים עצומים, ובמהירות בלתי נתפסת. בנוסף, הנתונים החלו בהדרגה להצטבר כי סותרים חוקים של ניוטון: למשל, פרדוקס כבידה או עקירה של perhhelion של מרקורי. התברר כי התיאוריה של התוקפנות האוניברסלית מחייבת עידון. כבוד זה נפל למגרש של הפיסיקאי הגרמני המבריק אלברט איינשטיין.
אטרקציה ותורת היחסות
סירובו של ניוטון לדון בטבע הכובד ("אני לא ממציא היפותזות") היה חולשה ברורה של הקונספט שלו. לא מפתיע, בשנים שלאחר מכן, הופיעו תיאוריות רבות של כוח הכבידה.
רובם היו שייכים לדגמים הידרודינמיים כביכול, שניסו להצדיק את הופעתה של אינטראקציה מכנית של אובייקטים חומריים עם חומר ביניים כלשהו בעל תכונות מסוימות. החוקרים קראו לו אחרת: "ואקום", "אתר", "שטף graviton" וכו 'במקרה זה, כוח המשיכה בין הגופים התעוררה כתוצאה משינוי בחומר זה, כאשר הוא נקלט על ידי חפצים או זרמים מוקרנים. במציאות, כל תיאוריות כאלה היו חסרון אחד רציני: די מדויק לחזות את התלות של כוח הכבידה על המרחק, הם היו צריכים להוביל את ההאטה של גופים זז יחסית "אתר" או "שטף graviton".
איינשטיין ניגש לסוגיה זו מזווית אחרת. בתורת היחסות הכללית שלו (GTR), הכבידה אינה נתפסת כאינטראקציה של כוחות, אלא כרכוש של מרחב-זמן עצמו. כל עצם בעל מסה מוביל לעיקול שלו, מה שגורם למשיכה. במקרה זה, כוח הכבידה הוא אפקט גיאומטרי, הנחשב במסגרת הגיאומטריה הלא אוקלידית.
במילים פשוטות, רצף הזמן במרחב משפיע על החומר, גורם לתנועה שלו. וזה, בתורו, משפיע על המרחב, "הצבעה" לו איך להתכופף.
כוחות המשיכה פועלים במיקרוקוסמוס, אך ברמת החלקיקים היסודיים השפעתם, בהשוואה לאינטראקציה האלקטרוסטטית, היא זניחה. פיסיקאים מאמינים כי האינטראקציה הכבידתית לא היתה נחותה מאחרים ברגעים הראשונים (10-43 שניות). לאחר המפץ הגדול.
כיום, מושג הכבידה, המוצע בתורת היחסות הכללית, הוא השערת העבודה העיקרית שמקובל על ידי רוב הקהילה המדעית ומאושש על ידי תוצאות של ניסויים רבים.
איינשטיין בעבודתו חזה את ההשפעות המדהימות של כוחות הכבידה, שרובם כבר אושרו. לדוגמה, האפשרות של גופים מסיביים לכופף קרני אור ואפילו להאט את חלוף הזמן. התופעה האחרונה נלקחת בחשבון בעת הפעלת מערכות ניווט לווייני גלובליות כמו GPS ו- GPS, אחרת בעוד כמה ימים תהיה השגיאה שלהם עשרות קילומטרים.
בנוסף לכך, התוצאה של התיאוריה של איינשטיין היא מה שמכונה השפעות מתוחכמות של כוח הכבידה, כגון שדה הכבידה המגנטי והאינרציה של מערכות ייחוס אינרציאלי (הידוע גם בשם אפקט Lense-Thirring). ביטויי הכוח האלה כה חלשים עד כי לא ניתן היה לזהותם במשך זמן רב. רק ב -2005, הודות למשימה הייחודית של נאס"א Probe B, הוכח אפקט Lense-Thirring.
קרינה גרביטציונית או התגלית הבסיסית ביותר של השנים האחרונות
גלים כבידה הם תנודות של מבנה מרחב זמן גיאומטרי, מתפשטות במהירות האור. קיומו של תופעה זו ניבא גם על ידי איינשטיין בתורת היחסות הכללית, אך בשל חולשת הכוח, גודלו קטן מאוד, ולכן לא ניתן היה להבחין בו במשך זמן רב. רק ראיות עקיפות דיברו בעד קיומה של קרינה.
גלים כאלה מייצרים אובייקטים חומריים הנעים עם האצה אסימטרית. מדענים מתארים אותם כ"אדוות זמן-חלל ". המקורות החזקים ביותר של קרינה כזו הם גלקסיות מתנגשות ומערכות מתמוטטות המורכבות משני אובייקטים. דוגמה טיפוסית של המקרה השני היא היתוך של חורים שחורים או כוכבי נויטרונים. בתהליכים כאלה, קרינה כבידה יכולה לעבור יותר מ -50% מכלל המסה של המערכת.
גלים כבידה התגלו לראשונה בשנת 2015 באמצעות שתי תצפיות LIGO. כמעט מיד, אירוע זה קיבל מעמד של התגלית הגדולה ביותר בפיזיקה בעשורים האחרונים. בשנת 2017 הוענק לו פרס נובל. לאחר מכן, מדענים הצליחו מספר פעמים לתקן את קרינת הכבידה.
חזרה בשנות ה -70 של המאה הקודמת - הרבה לפני אישור הניסוי - מדענים הציעו להשתמש בקרינה כבידה כדי לבצע תקשורת למרחקים ארוכים. היתרון המובהק שלה הוא היכולת הגבוהה לעבור בכל חומר מבלי לספוג. אבל כרגע זה כמעט בלתי אפשרי, כי יש קשיים עצומים עם הדור ואת הקבלה של גלים אלה. כן, ידע אמיתי על אופי כוח הכבידה אינו מספיק.
כיום, ישנן מספר מתקנים במדינות שונות ברחבי העולם, בדומה LIGO, חדשים נבנים. סביר להניח כי בעתיד הקרוב נלמד יותר על קרינה כבידה.
תיאוריות אלטרנטיביות של הרחבת העולם והסיבות לבריאתן
כיום, המושג הכבדי הדומיננטי הוא GR. זה מסכים עם כל מערך הקיים של נתונים ותצפיות ניסיוני. יחד עם זאת, יש לה מספר רב של נקודות חולשה גלוי ונקודות שנויות במחלוקת, ולכן ניסיונות ליצור מודלים חדשים המסבירים את אופי הכובד לא מפסיקים.
כל התיאוריות של תפיסה עולמית רחבה שפותחו עד כה יכולות להתחלק למספר קבוצות עיקריות:
- רגיל;
- חלופה;
- קוונטי;
- תיאוריית שדה בודד.
ניסיונות ליצור מושג חדש של העולם רחב נעשו במאה XIX. מחברים שונים כללו את האתר או את התיאוריה הקורפוסולרית של האור. אבל הופעתו של ה- GR שמה קץ לחקירות האלה. לאחר פרסומו השתנתה מטרתם של המדענים - כעת מאמציהם נועדו לשפר את מודל איינשטיין, כולל תופעות טבע חדשות בו: החלק האחורי של החלקיקים, הרחבת היקום וכו '.
בתחילת שנות ה -80, פיסיקאים דחו את כל המושגים, למעט אלה שכללו את ה- GTR כחלק בלתי נפרד. בשלב זה, נכנס אפנה "תיאוריות מחרוזת", אשר נראה מבטיח מאוד. אבל אישור מנוסה של השערות אלה לא נמצא. במהלך העשורים האחרונים, המדע הגיע לגבהים משמעותיים וצבר מגוון רחב של נתונים אמפיריים. כיום, ניסיונות ליצור תיאוריות חלופיות של כוח הכבידה מושפעים בעיקר ממחקר קוסמולוגי הקשור למושגים כגון "חומר אפל", "אינפלציה", "אנרגיה אפלה".
אחת המשימות העיקריות של הפיזיקה המודרנית היא איחוד שני כיוונים עיקריים: תורת הקוואנטים ותורת היחסות הכללית. מדענים מבקשים לקשור משיכה עם סוגים אחרים של אינטראקציות, ובכך ליצור "תיאוריה של הכל". זה בדיוק מה הכובד הקוונטי עושה - ענף של פיזיקה כי הוא מנסה לתת תיאור קוונטי של אינטראקציה כבידה. ענף של הכיוון הזה הוא התיאוריה של כוח הכבידה לולאה.
למרות מאמצים פעילים וארוכי טווח, יעד זה טרם הושג. והעניין אינו אפילו במורכבותה של משימה זו: פשוט הבסיס של תורת הקוואנטים ו- GR הוא פרדיגמות שונות לחלוטין. מכניקת הקוונטים פועלת עם מערכות פיזיות הפועלות על רקע זמן חלל רגיל. ובתורת היחסות, מרחב הזמן עצמו הוא רכיב דינמי, תלוי בפרמטרים של המערכות הקלאסיות הנמצאות בו.
יחד עם ההשערות המדעיות של העולם, יש גם תיאוריות רחוקות מהפיזיקה המודרנית. למרבה הצער, בשנים האחרונות, "opus" כזה פשוט הציף את האינטרנט ואת המדפים של חנויות ספרים. מחברים של יצירות כאלה בדרך כלל להודיע לקורא כי כוח הכבידה אינו קיים, ואת החוקים של ניוטון ואיינשטיין הם המצאות מיסטיקה.
דוגמה לכך היא עבודתו של "המדען" ניקולאי לבשוב, שטוען כי ניוטון לא גילה את חוק העולם, ורק לכוכבי הלכת ולירח שלנו, הירח, יש כוח כבידה במערכת השמש. עדויות של "מדען רוסי" זה מוביל די מוזר. אחד מהם הוא הטיסה של החללית האמריקנית ליד סנדלר לאסטרואיד ארוס, שהתקיים בשנת 2000. היעדר המשיכה בין הגלאי לבין הגוף השמימי לבאש רואה בחומר הראיות לזיוף יצירותיו של ניוטון וקנוניה של פיסיקאים שמסתירים את האמת על כוח הכבידה מאנשים.
למעשה, החללית השלימה בהצלחה את משימתה: ראשית, היא נכנסה למסלול האסטרואידים, ולאחר מכן הנחיתה רכה על פני השטח.
הכבידה מלאכותית ומדוע זה נחוץ
שני מושגים קשורים לכוח הכבידה, אשר למרות המצב התיאורטי הנוכחי שלהם, ידועים לציבור הרחב. זה antigravity וכוח מלאכותי.
גמישות היא תהליך של נגד כוח הכובד, אשר יכול להפחית אותו באופן משמעותי או אפילו להחליף אותו על ידי דחייה. מאסטרינג טכנולוגיה זו תוביל למהפכה אמיתית בתחום התחבורה, התעופה, חקר החלל החיצון ושינויים קיצוניים כל חיינו. אבל כרגע, את האפשרות של אנטי כבידה אין אפילו אישור תיאורטי. יתר על כן, בהתבסס על GTR, תופעה זו אינה אפשרית כלל, שכן לא יכול להיות מסה שלילית ביקום שלנו. יתכן כי בעתיד נלמד יותר על כוח הכבידה ונלמד כיצד לבנות מטוסים על בסיס עיקרון זה.
הכבידה מלאכותית היא שינוי מעשה ידי אדם לכוח הכבידה הקיים. היום, אנחנו לא צריכים טכנולוגיה כזו, אבל המצב בהחלט לשנות לאחר תחילת הנסיעה לטווח ארוך בחלל. והדבר הוא הפיזיולוגיה שלנו. גוף האדם, "רגיל" על ידי מיליוני שנים של אבולוציה לכוח המשיכה המתמיד של כדור הארץ, הוא שלילי ביותר על ההשפעות של כוח הכבידה מופחת. לונג להישאר אפילו בתנאים של כוח הכבידה הירחי (שש פעמים חלשה יותר של כדור הארץ) יכול להוביל לתוצאות עצובות. אשליה של משיכה ניתן ליצור באמצעות כוחות פיזיים אחרים, כגון אינרציה. עם זאת, אפשרויות אלה הן מורכבות ויקרות. 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.
