Gravitacija: kas tai yra — Niutono dėsniai ir Einšteino vaidmuo

Sužinokite, kas yra gravitacija: Niutono dėsniai, Einšteino bendroji reliatyvumo teorija ir naujausios hipotezės apie gravitonus — aiškiai ir suprantamai.

Gravitacija, arba traukos jėga, yra viena iš pagrindinių visatos jėgų. Šiame straipsnyje ją aptarsime iš trijų dalių:

1. Kasdienė prasmė: jėga, dėl kurios daiktai krenta ant žemės.
2. Niutono dėsniai: kaip gravitacija išlaiko Saulės sistemą ir daugumą svarbiausių astronominių objektų.
3. Einšteino bendroji reliatyvumo teorija: gravitacijos vaidmuo visatoje

Kai kurie fizikai mano, kad gravitaciją sukelia gravitonai, tačiau jie vis dar nėra tikri.

Kasdienė prasmė

Gravitacija paaiškina, kodėl mes liekame ant Žemės paviršiaus, kodėl daiktai krinta ir kodėl vanduo teka žemyn. Ant Žemės paviršiaus akivaizdus jos matas yra laisvo kritimo pagreitis, vidutiniškai ≈ 9,81 m/s², dažnai žymimas g. Dėl šio pagreičio objektai, paleisti be pradinės atramos, įgyja greitį ir krenta.

Svoris ir masė: Masė yra kūno savybė (kiekis medžiagos), o svoris yra jėga, kurią gravitacija veikia tą masę. Svoris priklauso nuo gravitacinio lauko stiprumo: ant Mėnulio tas pats objektas svers mažiau nei ant Žemės, nors jo masė išliktų ta pati.

Povandeninės ir kasdienės pasekmės: gravitacija lemia krioklių srovę, atmosferos sluoksnių laikymąsi aplink planetas, potvynius (žemės ir mėnulio tarpusavio traukos rezultatas) ir daugelį kitų reiškinių, su kuriais susiduriame kasdien.

Niutono dėsniai

Isaacas Niutonas XVIII amžiuje suformulavo universalaus traukos dėsnius, kurie puikiai apibūdina daugumą kasdienių ir astronominių situacijų. Pagrindinė formulė — Visuotinio traukos dėsnio — yra:

F = G * (m1 * m2) / r²

čia F yra traukos jėga tarp dviejų kūnų, m1 ir m2 — jų masės, r — atstumas tarp masių centrų, o G — gravitacinė konstantė.

Šis dėsnis paaiškina, kodėl planetos sukasi aplink Saulę, kodėl palydovai išlaiko orbitas ir kodėl du kūnai patiria tarpusavio trauką, apibrėžtą atstumo kvadratu (inversinis kvadratas). Niutono mechanika taip pat leidžia apskaičiuoti gebėjimą paleisti raketą į kosmosą (ištrūkimo greitis), orbitalines trajektorijas, susidūrimus ir pan.

Ribotumai: Niutono dėsniai yra labai tikslūs daugybei praktinių reikmių, bet jie praranda tikslumą, kai kalbame apie labai dideles mases arba labai didelius greičius (artimus šviesos greičiui) — tokiais atvejais reikalinga reliatyvistinė teorija.

Einšteino bendroji reliatyvumo teorija

Alberto Einšteino bendroji reliatyvumo teorija (1915 m.) pakeitė gravitacijos supratimą: vietoje to, kad gravitacija būtų atskira jėga, ji apibrėžiama kaip erdvėlaikio išlinkimas dėl masės ir energijos. Objektai juda išilgai išlinkimo trajektorijų, vadinamų geodezijomis — įprastai tai atrodo kaip „nulėkimas“ link masės.

Tai paaiškina kai kuriuos reiškinius, kurių Niutono teorija negalėjo pilnai paaiškinti, pavyzdžiui:

• Merkurijaus orbitos periheliumų precesiją (maža, bet matoma orbitos poslinkio dalis).
• Šviesos posvyrį aplink masyvius objektus (refrakcija ar „lęšio“ efektas), patvirtintą per 1919 m. Saulės užtemimą.
• Gravitacinę raudonąją poslinkį ir laiko dilataciją gravitaciniuose laukuose — šią efektą reikia atsižvelgti, pavyzdžiui, kad GPS palydovai būtų tikslūs.

Bendroji reliatyvumo teorija prognozuoja ir naujus reiškinius, kurie buvo vėliau patvirtinti: gravitacinės bangos (LIGO ir kiti detektoriai aptiko jų signalus) ir juodųjų skylių egzistavimą (tiesioginiai vaizdai ir gravitacinių bangų signalo šaltiniai). Taip pat GR numato, kad silpno lauko atveju (mažos masės, lėti greičiai) jos rezultatai išsilygina iki Niutono dėsnio — tai reiškia, kad abi teorijos nesipriešina ten, kur jos abi taikomos.

Gravitacija kvantiniame lygmenyje ir atviros mįslės

Nors elektromagnetizmas ir kitos pagrindinės sąveikos sėkmingai aprašomos kvantine teorija, gravitacija kvantiniu mastu lieka neišspręsta problema. Kai kurie teoriniai modeliai numato kvantinį dalinį, vadinamą gravitonu, kuris būtų medijuojantis mezgonas, panašiai kaip fotonas elektromagnetizmui. Tačiau gravitono nė tiesiogiai, nė netiesiogiai (įprastais eksperimentais) kol kas nebuvo patikimai užfiksuotas.

Šiuo metu egzistuoja kelios pagrindinės kryptys bandant suvienyti gravitaciją su kvantine fizika: stringų teorija, kilpinių kvantinių gravitacijos modeliai ir kitos požiūrio alternatyvos. Taip pat lieka atviri klausimai, ar gravitacija gali paaiškinti kai kurias kosmologines paslaptis, tokias kaip tamsioji materija ir tamsioji energija, arba ar šios sąvokos reiškia, kad mūsų supratimas apie gravitaciją turi būti papildytas ar pakeistas.

Praktinės paskirtys: gravitacijos įtaka matoma ne tik astronomijoje. Gravitacinės korekcijos būtinos palydovų navigacijai (GPS), orbitinių skaičiavimų planavimui, kosminių misijų trajektorijoms ir daugelyje inžinerinių uždavinių, susijusių su mobiliųjų palydovų ir kosmoso technologijomis.

Kai kurie fizikai mano, kad gravitaciją sukelia gravitonai, tačiau jie vis dar nėra tikri. Tyrimai tęsiasi — tiek eksperimentai (pvz., gravitacinių bangų detektoriai, aukštos energijos fizikų eksperimentai ir astrofiziniai stebėjimai), tiek teoriniai modeliai bando užpildyti spragas ir sujungti bendrąją reliatyvumą su kvantine fizika.

Santrauka: gravitacija yra fundamentali jėga, kuri formuoja tiek kasdienį pasaulį, tiek visatos struktūrą. Niutono dėsniai suteikia paprastą ir praktišką aprašymą daugeliu atvejų, o Einšteino bendroji reliatyvumo teorija atskleidžia gilų ryšį tarp materijos, energijos ir erdvėlaikio geometrijos. Tolimesni tyrimai siekia išaiškinti gravitaciją kvantiniu mastu ir atsakyti į vis dar likusius klausimus apie visatos sandarą.

Gravitacijos teorijos istorija

Galileo

Pasak vieno iš jo mokinių, Galileo atliko garsųjį gravitacijos eksperimentą, kai nuo Pizos bokšto numetė kamuoliukus. Vėliau jis rideno kamuoliukus nuo nuolydžių. Šiais eksperimentais Galilėjus įrodė, kad gravitacija visus objektus greitina vienodai, nepriklausomai nuo jų svorio.

Kepler

Johannesas Kepleris tyrinėjo planetų judėjimą. 1609 ir 1616 m. jis paskelbė tris dėsnius, reglamentuojančius planetų orbitų formą ir jų judėjimo greitį, tačiau neatrado, kodėl jos juda būtent taip.

Newton

1687 m. anglų matematikas Izaokas Niutonas parašė veikalą "Principia". Šioje knygoje jis rašė apie atvirkštinio kvadrato gravitacijos dėsnį. Niutonas, remdamasis seniai kitų aptartomis idėjomis, teigė, kad kuo arčiau vienas kito yra du objektai, tuo labiau juos veikia gravitacija.

Vėliau Niutono dėsniai buvo panaudoti prognozuojant Neptūno planetos egzistavimą, remiantis Urano orbitos pokyčiais, ir dar kartą prognozuojant kitos planetos, esančios arčiau Saulės nei Merkurijus, egzistavimą. Kai tai buvo padaryta, paaiškėjo, kad jo teorija nebuvo visiškai teisinga. Šias jo teorijos klaidas ištaisė Alberto Einšteino bendroji reliatyvumo teorija. Niutono teorija vis dar dažnai naudojama daugeliui dalykų, nes ji yra paprastesnė ir pakankamai tiksli.

Dinaminė pusiausvyra

Kodėl Žemė neskrenda į Saulę? Atsakymas paprastas, bet labai svarbus. Taip yra todėl, kad Žemė, judėdama aplink Saulę, yra dinaminėje pusiausvyroje. Žemės judėjimo greitis sukuria išcentrinę jėgą, kuri subalansuoja Saulės ir Žemės gravitacinę jėgą. Kodėl Žemė ir toliau sukasi? Nes nėra jėgos, kuri ją sustabdytų.

Pirmasis Niutono dėsnis: "Jei kūnas yra ramybės būsenoje, jis lieka ramybės būsenoje, o jei jis juda, tai juda tuo pačiu greičiu tol, kol jo neveikia išorinė jėga.

Tarp išcentrinės jėgos ir gravitacinės jėgos yra tam tikra analogija, kuri lėmė bendrojo reliatyvumo "lygiavertiškumo principą".

Nesvarumas

Laisvojo kritimo metu objekto judėjimas atsveria jį veikiančios gravitacijos jėgą. Tai galioja ir būnant orbitoje.

Niutono visuotinės traukos dėsnis.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra gravitacija?

K: Kaip gravitacija veikia kasdienį gyvenimą?

K: Kokie yra Niutono gravitacijos dėsniai?

K: Kas yra Einšteino bendroji reliatyvumo teorija?

Klausimas: Ar yra kokių nors įrodymų, kas lemia gravitaciją?

K: Kaip gravitacija veikia erdvę ir laiką?

Paieška pagal raidę