Гравитацията е най-мощната сила във Вселената, една от четирите фундаментални основи на Вселената, която определя нейната структура. Веднъж благодарение на нея се появиха планети, звезди и цели галактики. Днес тя държи Земята в орбита по безкрайното си пътуване около Слънцето.
Атракцията е от голямо значение за ежедневието на човека. Благодарение на тази невидима сила, океаните на нашия свят пулсират, реки текат, дъждовни капки падат на земята. От детството усещаме тежестта на тялото и околните предмети. Влиянието на гравитацията върху икономическата ни дейност е огромно.
Първата теория на гравитацията е създадена от Исак Нютон в края на XVII век. Неговият Закон на света описва това взаимодействие в рамките на класическата механика. По-широко това явление е описано от Айнщайн в неговата обща теория на относителността, която е била освободена в началото на миналия век. Процесите, протичащи със силата на елементарните частици, трябва да обяснят квантовата теория на гравитацията, но тя все още не е създадена.
Днес ние знаем за природата на гравитацията много повече, отколкото по времето на Нютон, но въпреки вековното изследване, тя все още остава истински спънка на съвременната физика. В съществуващата теория на гравитацията има много бели петна и ние все още не разбираме точно какво я причинява и как се прехвърля това взаимодействие. Разбира се, далеч не сме в състояние да контролираме силата на гравитацията, така че антигравитацията или левитацията ще съществува дълго време само на страниците на научно-фантастичните романи.
Какво падна върху главата на Нютон?
Хората си мислеха за естеството на силата, която винаги привлича предмети на земята, но Исак Нютон успя да вдигне завесата на тайната само през седемнадесети век. В основата на неговия пробив са положени творбите на Кеплер и Галилео - брилянтни учени, които са изучавали движенията на небесните тела.
Още един век и половина преди Нютоновия Закон на света, полският астроном Коперник смята, че привличането е "... нищо друго освен естествената тенденция, с която бащата на Вселената дарява всички частици, а именно да се обединят в едно цяло, образувайки сферични тела". Декарт смята, че привличането е следствие от смущения в световния етер. Гръцкият философ и учен Аристотел беше убеден, че масата влияе на скоростта на падащите тела. И само Галилео Галилей в края на XVI век доказа, че това не е вярно: ако няма въздушно съпротивление, всички обекти се ускоряват по същия начин.
Противно на обикновената легенда за главата и ябълката, Нютон отиде да разбере природата на гравитацията повече от двадесет години. Неговият закон на гравитацията е едно от най-значимите научни открития на всички времена и народи. Тя е универсална и ви позволява да изчислите траекториите на небесните тела и точно описва поведението на обектите около нас. Класическата теория на небето положи основите на небесната механика. Трите закона на Нютон дадоха на учените възможност да открият нови планети буквално "на върха на писалката", в края на краищата, благодарение на тях, човекът успя да преодолее земната гравитация и да лети в космоса. Те донесоха строга научна основа под философската концепция за материалното единство на вселената, в която всички природни явления са свързани и контролирани от общите физически правила.
Нютон не просто публикува формула, за да изчисли силата, която привлича телата един към друг, той създава пълен модел, който също включва математически анализ. Тези теоретични заключения са многократно потвърждавани на практика, включително и при използване на най-съвременни методи.
В Нютоновата теория всеки материален обект генерира поле на привличане, което се нарича гравитационно. Освен това, силата е пропорционална на масата на двете тела и е обратно пропорционална на разстоянието между тях:
F = (G m1 m2) / r2
G е гравитационната константа, която е 6.67 × 10−11 m³ / (kg · s²). Той е първият в състояние да изчисли Хенри Кавендиш през 1798 година.
В ежедневието и в приложните дисциплини силата, с която Земята привлича тялото, се нарича нейното тегло. Привличането между всеки два материални обекта във Вселената е това, което гравитацията е с прости думи.
Силата на привличането е най-слабата от четирите фундаментални взаимодействия на физиката, но благодарение на нейните характеристики тя е в състояние да регулира движението на звездните системи и галактиките:
- Привличането работи на всякакво разстояние, това е основната разлика между гравитацията и силните и слаби ядрени взаимодействия. С увеличаване на разстоянието действието му намалява, но никога не става нула, така че можем да кажем, че дори два атома на различни краища на галактиката имат взаимно действие. То е много малко;
- Гравитацията е универсална. Областта на привличане е присъща на всяко материално тяло. Учените все още не са открили на нашата планета или в космоса обект, който не би участвал във взаимодействието на този тип, така че ролята на гравитацията в живота на Вселената е огромна. Това е различно от електромагнитното взаимодействие, чийто ефект върху космическите процеси е минимален, тъй като в природата повечето тела са електрически неутрални. Гравитационните сили не могат да бъдат ограничавани или скринирани;
- Той действа не само върху материята, но и върху енергията. За него химическият състав на обектите няма значение, само тяхната маса играе роля.
Използвайки формулата на Нютон, силата на привличане може лесно да бъде изчислена. Например, гравитацията на Луната е няколко пъти по-малка от тази на Земята, защото нашият спътник има относително малка маса. Но това е достатъчно, за да се формират редовни приливи и отливи в океаните. На Земята ускорението на свободното падане е приблизително 9,81 m / s2. А на полюсите е малко по-голям от екватора.
Въпреки огромното значение за по-нататъшното развитие на науката, законите на Нютон имаха редица слабости, които не дадоха почивка на изследователите. Не беше ясно как гравитацията действа чрез абсолютно празно пространство за огромни разстояния и с невъобразима скорост. В допълнение, данните постепенно започват да се натрупват, което противоречи на законите на Нютон: например, гравитационния парадокс или изместването на перихелия на Меркурий. Стана ясно, че теорията за универсалната агресия изисква усъвършенстване. Тази чест пада върху блестящия немски физик Алберт Айнщайн.
Привличане и теория на относителността
Отказът на Нютон да обсъжда природата на гравитацията („Аз не измислям хипотези“) е очевидна слабост на неговата концепция. Не е изненадващо, че през следващите години се появиха много теории за гравитацията.
Повечето от тях принадлежат на така наречените хидродинамични модели, които се опитват да оправдаят появата на механично взаимодействие на материални обекти с някои междинни вещества, които имат определени свойства. Изследователите го наричат по различен начин: "вакуум", "етер", "гравитонен поток" и т.н. В този случай силата на привличане между телата е възникнала в резултат на промяна в това вещество, когато тя се абсорбира от обекти или скринирани потоци. В действителност всички тези теории имат един сериозен недостатък: по-скоро с точна прогноза за зависимостта на гравитационната сила от разстоянието, те трябва да доведат до забавяне на телата, които се движат спрямо „етер” или „гравитонен поток”.
Айнщайн се обърна към този въпрос от различен ъгъл. В неговата обща теория на относителността (GTR), гравитацията се разглежда не като взаимодействие на силите, а като свойство на самата пространствено време. Всеки обект, имащ маса, води до неговата извивка, което предизвиква привличане. В този случай гравитацията е геометричен ефект, който се разглежда в рамките на неевклидова геометрия.
Казано по-просто, пространствено-времевият континуум влияе върху материята, предизвиквайки неговото движение. И това, от своя страна, засяга пространството, "сочи" го как да се огъват.
Силите на привличане действат в микрокосмоса, но на ниво елементарни частици тяхното влияние, в сравнение с електростатичното взаимодействие, е незначително. Физиците смятат, че гравитационното взаимодействие не е по-лошо от другите в първите моменти (10 -43 сек.) След Големия взрив.
В момента концепцията за гравитацията, предложена в общата теория на относителността, е основната работна хипотеза, приета от мнозинството от научната общност и потвърдена от резултатите от множество експерименти.
Айнщайн предвижда в работата си невероятните ефекти на гравитационните сили, повечето от които вече са потвърдени. Например, възможността масивните тела да огъват светлинните лъчи и дори да забавят протичането на времето. Последното явление е непременно взето под внимание при работата на глобални системи за спътникова навигация като GLONASS и GPS, в противен случай за няколко дни грешката им ще бъде десетки километри.
В допълнение, последствията от теорията на Айнщайн са така наречените фини ефекти на гравитацията, като гравитационно-магнитното поле и инерцията на инерционните референтни системи (известни също като ефект на Lense-Thirring). Тези прояви на сила са толкова слаби, че дълго време не могат да бъдат открити. Едва през 2005 г., благодарение на уникалната мисия на НАСА Gravity Probe B, ефектът Lense-Thirring беше потвърден.
Гравитационната радиация или най-фундаменталното откритие от последните години
Гравитационните вълни са осцилации на геометрична пространствено-времева структура, разпространяваща се със скоростта на светлината. Съществуването на този феномен е предсказано и от Айнщайн в общата теория на относителността, но поради слабостта на силата, неговата величина е много малка, затова не може да бъде открита дълго време. Само косвени доказателства говориха за съществуването на радиация.
Такива вълни генерират всякакви материални обекти, движещи се с асиметрично ускорение. Учените ги описват като "вълни от пространство-време". Най-мощните източници на такова излъчване са сблъскващи се галактики и срутващи се системи, състоящи се от два обекта. Типичен пример за последния случай е сливането на черни дупки или неутронни звезди. В такива процеси гравитационното излъчване може да премине повече от 50% от общата маса на системата.
Гравитационните вълни са открити за първи път през 2015 г. с две обсерватории LIGO. Почти веднага това събитие получи статут на най-голямото откритие във физиката през последните десетилетия. През 2017 г. за него бе връчена Нобеловата награда. След това учените няколко пъти успяха да фиксират гравитационното лъчение.
Още през 70-те години на миналия век - дълго преди експерименталното потвърждение - учените предлагат използването на гравитационно излъчване за осъществяване на комуникации на дълги разстояния. Неговото безспорно предимство е високата способност да преминава през всяка субстанция, без да се абсорбира. Но в момента това едва ли е възможно, защото има огромни трудности с генерирането и приемането на тези вълни. Да, и истинското знание за природата на гравитацията не е достатъчно.
Днес има няколко инсталации в различни страни по света, подобни на LIGO, и се изграждат нови. Вероятно в близко бъдеще ще научим повече за гравитационното излъчване.
Алтернативни теории за разширяването на света и причините за тяхното създаване
Понастоящем доминиращата концепция за гравитацията е GR. Той е съгласен с целия съществуващ масив от експериментални данни и наблюдения. В същото време тя има голям брой открито слаби места и противоречиви моменти, поради което опитите за създаване на нови модели, обясняващи природата на гравитацията, не престават.
Всички досега развити теории на световно възприятие могат да бъдат разделени на няколко основни групи:
- стандарт;
- алтернатива;
- квантовата;
- теория на едно поле.
Опитите да се създаде нова концепция за целия свят са направени през XIX век. Различни автори включват етер или корпускуларна теория на светлината. Но появата на ГР сложи край на тези изследвания. След публикуването му целта на учените се е променила - сега усилията им бяха насочени към подобряване на модела на Айнщайн, включително нови природни явления в него: гърба на частиците, разширяването на Вселената и др.
До началото на 80-те години на миналия век физиците отхвърлят експериментално всички понятия, с изключение на тези, които включват GTR като неразделна част. По това време дойде в мода "струнни теории", което изглеждаше много обещаващо. Но опитното потвърждение на тези хипотези не е намерено. През последните десетилетия науката е достигнала значителни висоти и е натрупала широк спектър от емпирични данни. Днес опитите за създаване на алтернативни теории за гравитацията са вдъхновени главно от космологични изследвания, свързани с такива понятия като "тъмна материя", "инфлация", "тъмна енергия".
Една от основните задачи на съвременната физика е обединяването на две основни направления: квантовата теория и общата теория на относителността. Учените се стремят да свързват атракцията с други видове взаимодействия, като по този начин създават „теория за всичко”. Именно това прави квантовата гравитация - клон на физиката, който се опитва да даде квантово описание на гравитационното взаимодействие. Клон на тази посока е теорията на гравитацията на контура.
Въпреки активните и дългосрочни усилия, тази цел все още не е постигната. И въпросът не е дори в сложността на тази задача: просто е, че основата на квантовата теория и GR са напълно различни парадигми. Квантовата механика работи с физически системи, действащи на фона на обикновеното пространство-време. И в теорията на относителността, самото пространство-време е динамичен компонент, в зависимост от параметрите на класическите системи, които са в него.
Наред с научните хипотези на света, съществуват и теории, които са далеч от съвременната физика. За съжаление през последните години подобен "опус" просто наводни интернет и рафтовете на книжарниците. Някои автори на такива произведения обикновено информират читателя, че гравитацията не съществува, а законите на Нютон и Айнщайн са изобретения и мистификации.
Пример за това е работата на “учения” Николай Левашов, който твърди, че Нютон не е открил закона на света, а само планетите и нашата луна, Луната, имат гравитационна сила в Слънчевата система. Доказателства за този "руски учен" са доста странни. Една от тях е полетът на американската сонда NEAR Shoemaker към астероида Eros, който се състоя през 2000 година. Липсата на привличане между сондата и небесното тяло Левашов разглежда доказателства за фалшивостта на творбите на Нютон и заговора на физиците, които крият истината за гравитацията от хората.
Всъщност, космическият кораб успешно завърши своята мисия: първо, влязъл в орбитата на астероида, а после направил меко приземяване на повърхността си.
Изкуствена гравитация и защо е необходима
Две понятия са свързани с гравитацията, които, въпреки сегашния си теоретичен статус, са добре познати на широката общественост. Тази антигравитационна и изкуствена гравитация.
Антигравитацията е процес на противодействие на силата на гравитацията, която може значително да я намали или дори да го замени с отблъскване. Овладяването на тази технология би довело до истинска революция в транспорта, авиацията, изследването на космоса и радикално промени целия ни живот. Но в момента възможността за антигравитация дори няма теоретично потвърждение. Освен това, въз основа на ГТП, това явление изобщо не е възможно, тъй като в нашата Вселена не може да има отрицателна маса. Възможно е в бъдеще да научим повече за гравитацията и да научим как да изграждаме самолети въз основа на този принцип.
Изкуствената гравитация е изкуствена промяна на съществуващата сила на гравитацията. Днес ние не се нуждаем от такава технология, но ситуацията определено ще се промени след началото на дългосрочните космически пътувания. И това е нашата физиология. Човешкото тяло, "свикнало" с милиони години на еволюция с постоянната гравитация на Земята, е изключително негативно за ефектите от намалената гравитация. Дългият престой дори в условията на лунна гравитация (шест пъти по-слаба от земната) може да доведе до тъжни последствия. Илюзията за привличане може да бъде създадена с помощта на други физически сили, като инерция. Тези опции обаче са сложни и скъпи. 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.
