De zwaartekracht is de krachtigste kracht in het universum, een van de vier fundamentele grondslagen van het universum, die de structuur bepalen. Eens, dankzij haar, ontstonden planeten, sterren en hele sterrenstelsels. Vandaag houdt het de aarde in een baan om zijn eeuwige reis rond de zon.
De aantrekkingskracht is van groot belang voor het dagelijks leven van de mens. Dankzij deze onzichtbare kracht vallen de oceanen van onze wereld pulserend, stromen rivieren, regendruppels op de grond. Sinds onze kindertijd voelen we het gewicht van ons lichaam en de omringende objecten. De invloed van de zwaartekracht op onze economische activiteit is immens.
De eerste theorie van de zwaartekracht werd gecreëerd door Isaac Newton aan het einde van de XVII eeuw. Zijn Wet van Wereldwijd beschrijft deze interactie in het kader van de klassieke mechanica. Meer algemeen werd dit verschijnsel door Einstein beschreven in zijn algemene relativiteitstheorie, die in het begin van de vorige eeuw werd vrijgegeven. De processen die plaatsvinden met de kracht van de elementaire deeltjes moeten de kwantumtheorie van de zwaartekracht verklaren, maar deze moet nog worden gecreëerd.
Tegenwoordig weten we veel meer over de aard van de zwaartekracht dan ten tijde van Newton, maar ondanks eeuwen van studie is het nog steeds een echt struikelblok van de moderne natuurkunde. In de bestaande theorie van zwaartekracht zijn er veel witte vlekken, en we begrijpen nog steeds niet precies wat de oorzaak is en hoe deze interactie wordt overgedragen. En natuurlijk zijn we er nog lang niet in geslaagd de zwaartekracht te beheersen, zodat anti-zwaartekracht of levitatie lang alleen zal bestaan in de pagina's van science fiction-romans.
Wat viel er op Newtons hoofd?
Mensen dachten aan de aard van geweld, die te allen tijde objecten naar de grond trekt, maar Isaac Newton slaagde erin de sluier van geheimzinnigheid pas in de zeventiende eeuw op te heffen. De basis voor zijn doorbraak legde de werken van Kepler en Galileo neer - briljante wetenschappers die de bewegingen van hemellichamen bestudeerden.
Nog zo'n anderhalve eeuw vóór de Newtoniaanse wet van de wereld, geloofde de Poolse astronoom Copernicus dat aantrekkingskracht "niets anders is dan de natuurlijke neiging waarmee de vader van het universum alle deeltjes begaafde, namelijk zich te verenigen in één geheel, bolvormige lichamen te vormen". Descartes beschouwde aantrekkingskracht als een gevolg van verstoringen in de etherwereld. De Griekse filosoof en wetenschapper Aristoteles was ervan overtuigd dat de massa de snelheid van vallende lichamen beïnvloedt. En alleen Galileo Galilei aan het einde van de zestiende eeuw bewees dat dit niet waar is: als er geen luchtweerstand is, worden alle objecten op dezelfde manier versneld.
In tegenstelling tot de gemeenschappelijke legende over het hoofd en de appel, ging Newton meer dan twintig jaar lang de aard van de zwaartekracht begrijpen. Zijn wet van zwaartekracht is een van de meest significante wetenschappelijke ontdekkingen van alle tijden en volken. Het is universeel en stelt u in staat om de banen van hemellichamen te berekenen en beschrijft nauwkeurig het gedrag van objecten om ons heen. De klassieke theorie van de hemel legde de basis voor de hemelse mechanica. De drie wetten van Newton gaven wetenschappers de mogelijkheid om nieuwe planeten letterlijk te ontdekken "aan het uiteinde van de pen", dankzij hen was de mens in staat om de zwaartekracht van de aarde te overwinnen en de ruimte in te vliegen. Ze brachten een strikte wetenschappelijke basis onder het filosofische concept van de materiële eenheid van het universum, waarin alle natuurlijke verschijnselen met elkaar in verband staan en beheerst worden door algemene fysieke regels.
Newton publiceerde niet alleen een formule om de kracht te berekenen die lichamen bij elkaar aantrekt, hij creëerde een compleet model, dat ook wiskundige analyse omvatte. Deze theoretische conclusies zijn in de praktijk herhaaldelijk bevestigd, inclusief het gebruik van de modernste methoden.
In de Newtoniaanse theorie genereert elk materieel object een gebied van aantrekking, dat zwaartekracht wordt genoemd. Bovendien is de kracht evenredig met de massa van beide lichamen en omgekeerd evenredig met de afstand daartussen:
F = (G m1 m2) / r2
G is de zwaartekrachtsconstante, die 6,67 x 10-11 m³ / (kg · s²) is. Hij was eerst in staat Henry Cavendish in 1798 te berekenen.
In het dagelijks leven en in toegepaste disciplines, wordt de kracht waarmee de aarde het lichaam aantrekt aangeduid als zijn gewicht. De aantrekkingskracht tussen twee materiële objecten in het universum is wat zwaartekracht is in eenvoudige woorden.
De aantrekkingskracht is de zwakste van de vier fundamentele interacties van de natuurkunde, maar dankzij zijn eigenschappen is het in staat om de beweging van sterrenstelsels en sterrenstelsels te regelen:
- De attractie werkt op elke afstand, dit is het belangrijkste verschil tussen zwaartekracht en sterke en zwakke nucleaire interacties. Met toenemende afstand neemt zijn actie af, maar deze wordt nooit nul, dus we kunnen zeggen dat zelfs twee atomen aan verschillende uiteinden van de melkweg een wederzijds effect hebben. Het is gewoon heel klein;
- Zwaartekracht is universeel. Het gebied van aantrekking is inherent aan een materieel lichaam. Wetenschappers hebben nog niet op onze planeet of in de ruimte een object ontdekt dat niet zou deelnemen aan de interactie van dit type, dus de rol van de zwaartekracht in het leven van het Universum is enorm. Dit is anders dan de elektromagnetische interactie, waarvan het effect op ruimtevaartprocessen minimaal is, omdat de meeste lichamen in de natuur elektrisch neutraal zijn. Zwaartekrachten kunnen niet worden beperkt of gescreend;
- Het werkt niet alleen op materie, maar ook op energie. Voor hem doet de chemische samenstelling van objecten er niet toe, alleen speelt hun massa een rol.
Met behulp van de formule van Newton kan de aantrekkingskracht gemakkelijk worden berekend. De zwaartekracht op de maan is bijvoorbeeld meerdere malen kleiner dan die op aarde, omdat onze satelliet een relatief kleine massa heeft. Maar het is genoeg om regelmatige eb en vloed in de oceanen te vormen. Op aarde is de versnelling van de vrije val ongeveer 9,81 m / s2. En aan de polen is het iets groter dan aan de evenaar.
Ondanks het enorme belang voor de verdere ontwikkeling van de wetenschap, hadden de wetten van Newton een aantal zwakke punten die de onderzoekers geen rust gunden. Het was niet duidelijk hoe zwaartekracht door een absoluut lege ruimte werkt voor enorme afstanden en met een ondenkbare snelheid. Bovendien begonnen zich geleidelijk aan gegevens te verzamelen die in tegenspraak waren met de wetten van Newton: bijvoorbeeld de zwaartekrachtparadox of de verplaatsing van het perihelium van Mercurius. Het werd duidelijk dat de theorie van universele agressie verfijning vereist. Deze eer viel op het lot van de briljante Duitse natuurkundige Albert Einstein.
Attractie en relativiteitstheorie
De weigering van Newton om de aard van de zwaartekracht te bespreken ("Ik verzin geen hypotheses") was een duidelijke zwakte van zijn concept. Het is niet verrassend dat in de volgende jaren veel theorieën over de zwaartekracht verschenen.
De meesten behoorden tot de zogenaamde hydrodynamische modellen, die probeerden de opkomst van een mechanische interactie van materiële objecten met een tussenproduct met bepaalde eigenschappen te rechtvaardigen. Onderzoekers noemden het anders: "vacuüm", "ether", "graviton flux", enz. In dit geval ontstond de aantrekkingskracht tussen de lichamen als gevolg van een verandering in deze substantie, wanneer deze werd geabsorbeerd door objecten of gerasterde stromingen. In werkelijkheid hadden al dergelijke theorieën een ernstig nadeel: ze voorspelden vrij nauwkeurig de afhankelijkheid van de zwaartekracht op afstand, maar moesten leiden tot de vertraging van lichamen die bewogen ten opzichte van de "ether" of "graviton flux".
Einstein benaderde dit probleem vanuit een andere hoek. In zijn algemene relativiteitstheorie (GTR) wordt zwaartekracht niet als een interactie van krachten beschouwd, maar als een eigenschap van ruimtetijd zelf. Elk voorwerp met een massa leidt tot zijn kromming, wat aantrekkingskracht veroorzaakt. In dit geval is zwaartekracht een geometrisch effect, dat wordt beschouwd in het kader van de niet-euclidische meetkunde.
Simpel gezegd, het ruimte-tijd continuüm beïnvloedt de materie en veroorzaakt de beweging ervan. En dat beïnvloedt op zijn beurt de ruimte en "wijst" hem hoe hij moet buigen.
De aantrekkingskrachten werken in de microkosmos, maar op het niveau van elementaire deeltjes is hun invloed, vergeleken met de elektrostatische interactie, verwaarloosbaar. Natuurkundigen zijn van mening dat de gravitationele interactie niet inferieur was aan de anderen op de eerste momenten (10 -43 sec.) Na de oerknal.
Op dit moment is het concept van de zwaartekracht, voorgesteld in de algemene relativiteitstheorie, de belangrijkste werkhypothese die wordt aanvaard door de meerderheid van de wetenschappelijke gemeenschap en bevestigd door de resultaten van talrijke experimenten.
Einstein voorzag in zijn werk de verbazingwekkende effecten van zwaartekrachten, waarvan de meeste al zijn bevestigd. Bijvoorbeeld de mogelijkheid van massieve lichamen om lichtstralen te buigen en zelfs het verstrijken van de tijd te vertragen. Dit laatste fenomeen wordt noodzakelijkerwijs in aanmerking genomen bij het gebruik van wereldwijde satellietnavigatiesystemen zoals GLONASS en GPS, anders zou over een paar dagen hun fout tientallen kilometers bedragen.
Bovendien zijn de consequenties van de theorie van Einstein de zogenaamde subtiele effecten van de zwaartekracht, zoals het zwaartekracht-magnetische veld en de traagheid van traagheidsreferentiesystemen (ook bekend als het Lense-Thirring-effect). Deze manifestaties van geweld zijn zo zwak dat ze lange tijd niet konden worden opgespoord. Pas in 2005, dankzij NASA's unieke Gravity Probe B-missie, werd het Lense-Thirring-effect bevestigd.
Zwaartekrachtstraling of de meest fundamentele ontdekking van de afgelopen jaren
Zwaartekrachtgolven zijn oscillaties van een geometrische ruimte-tijdstructuur die zich met de snelheid van het licht voortplant. Het bestaan van dit fenomeen werd ook voorspeld door Einstein in algemene relativiteitstheorie, maar door de zwakte van de kracht is de magnitude ervan erg klein, daarom kon het lange tijd niet worden gedetecteerd. Alleen indirect bewijsmateriaal pleitte voor het bestaan van straling.
Dergelijke golven genereren materiële objecten die bewegen met asymmetrische versnelling. Wetenschappers beschrijven ze als 'ruimte-tijd-rimpelingen'. De meest krachtige bronnen van dergelijke straling zijn botsende sterrenstelsels en samenvouwende systemen bestaande uit twee objecten. Een typisch voorbeeld van het laatste geval is de samensmelting van zwarte gaten of neutronensterren. Bij dergelijke processen kan zwaartekrachtstraling meer dan 50% van de totale massa van het systeem passeren.
Gravitatiegolven werden voor het eerst ontdekt in 2015 met behulp van twee LIGO-observatoria. Bijna onmiddellijk kreeg dit evenement de status van de grootste ontdekking in de natuurkunde van de afgelopen decennia. In 2017 werd de Nobelprijs voor hem toegekend. Daarna hebben wetenschappers meerdere malen de gravitationele straling kunnen repareren.
In de jaren '70 van de vorige eeuw - lang voor experimentele bevestiging - stelden wetenschappers voor om zwaartekrachtstraling te gebruiken voor communicatie over lange afstanden. Het onmiskenbare voordeel is het hoge vermogen om door elke substantie te passeren zonder geabsorbeerd te worden. Maar op dit moment is het nauwelijks mogelijk, omdat er enorme problemen zijn met het genereren en ontvangen van deze golven. Ja, en echte kennis over de aard van de zwaartekracht is niet genoeg.
Tegenwoordig zijn er verschillende installaties in verschillende landen over de hele wereld, vergelijkbaar met LIGO, en worden er nieuwe gebouwd. Waarschijnlijk zullen we in de nabije toekomst meer leren over zwaartekrachtstraling.
Alternatieve theorieën over de wereldverbreding en de redenen voor hun creatie
Momenteel is GR het dominante concept van zwaartekracht. Het is het eens met de hele bestaande reeks experimentele gegevens en waarnemingen. Tegelijkertijd heeft het een groot aantal openlijk zwakke punten en controversiële punten. Daarom houden pogingen om nieuwe modellen te maken die de aard van de zwaartekracht verklaren, niet op.
Alle tot op heden ontwikkelde theorieën over de hele wereld kunnen worden onderverdeeld in verschillende hoofdgroepen:
- standaard;
- alternatief;
- quantum;
- enkelvelds theorie.
Pogingen om een nieuw concept van wereldformaat te creëren werden gemaakt in de XIX eeuw. Verschillende auteurs omvatten de ether of de corpusculaire lichttheorie. Maar de komst van de GR maakte een einde aan deze verkenningen. Na de publicatie is het doel van wetenschappers veranderd - nu waren hun inspanningen gericht op het verbeteren van het Einstein-model, inclusief nieuwe natuurlijke verschijnselen erin: de achterkant van deeltjes, de uitbreiding van het universum, enz.
Aan het begin van de jaren tachtig verwierpen natuurkundigen experimenteel alle concepten, met uitzondering van de concepten die GTR als een integraal onderdeel bevatten. In deze tijd kwamen 'snaartheorieën' in zwang, die er veelbelovend uitzagen. Maar een ervaren bevestiging van deze hypothesen is niet gevonden. In de afgelopen decennia heeft de wetenschap aanzienlijke hoogten bereikt en een enorme hoeveelheid empirische gegevens verzameld. Tegenwoordig worden pogingen om alternatieve theorieën over de zwaartekracht te creëren voornamelijk geïnspireerd door kosmologisch onderzoek met betrekking tot concepten als "donkere materie", "inflatie", "donkere energie".
Een van de hoofdtaken van de moderne natuurkunde is de vereniging van twee fundamentele richtingen: de kwantumtheorie en de algemene relativiteit. Wetenschappers proberen aantrekkelijkheid te associëren met andere soorten interacties, waardoor een "theorie van alles" wordt gecreëerd. Dit is precies wat de kwantumzwaartekracht doet - een tak van de natuurkunde die probeert een kwantumbeschrijving te geven van de zwaartekrachtinteractie. Een tak van deze richting is de theorie van de zwaartekracht van de lus.
Ondanks actieve en langdurige inspanningen is dit doel nog niet bereikt. En de kwestie zit niet eens in de complexiteit van deze taak: het is gewoon dat de basis van de kwantumtheorie en GR totaal andere paradigma's zijn. Kwantummechanica werkt met fysieke systemen die handelen tegen de achtergrond van de gewone ruimte-tijd. En in de relativiteitstheorie is ruimte-tijd zelf een dynamische component, afhankelijk van de parameters van de klassieke systemen die erin zitten.
Samen met de wetenschappelijke hypothesen van de wereld zijn er ook theorieën die verre van moderne fysica zijn. Helaas heeft de afgelopen jaren zo'n 'opus' net het internet en de schappen van de boekhandel overstroomd. Sommige auteurs van dergelijke werken vertellen de lezer in het algemeen dat zwaartekracht niet bestaat, en de wetten van Newton en Einstein zijn uitvindingen en mystificaties.
Een voorbeeld is het werk van de 'wetenschapper' Nikolai Levashov, die beweert dat Newton de wet van de wereld niet heeft ontdekt, en alleen de planeten en onze maan, de maan, hebben zwaartekracht in het zonnestelsel. Bewijs van deze "Russische wetenschapper" leidt nogal vreemd. Een daarvan is de vlucht van de Amerikaanse NEAR Shoemaker-sonde naar de asteroïde Eros, die plaatsvond in 2000. De afwezigheid van aantrekking tussen de sonde en het hemellichaam beschouwt Levashov als bewijs van de valsheid van de werken van Newton en de samenzwering van natuurkundigen die de waarheid over de zwaartekracht verbergen voor mensen.
In feite voltooide het ruimtevaartuig zijn missie met succes: ten eerste ging het in de baan van de asteroïde en maakte vervolgens een zachte landing op het oppervlak.
Kunstmatige zwaartekracht en waarom het nodig is
Twee concepten worden geassocieerd met de zwaartekracht, die ondanks hun huidige theoretische status welbekend zijn bij het grote publiek. Deze antizwaartekracht en kunstmatige zwaartekracht.
Antigravitatie is het proces van het tegengaan van de zwaartekracht, die het aanzienlijk kan verminderen of zelfs kan vervangen door afstoting. Het beheersen van deze technologie zou leiden tot een echte revolutie in transport, luchtvaart, de verkenning van de ruimte en radicaal ons hele leven veranderen. Maar op dit moment heeft de mogelijkheid van anti-zwaartekracht zelfs geen theoretische bevestiging. Bovendien is dit fenomeen op basis van GTR helemaal niet haalbaar, omdat er geen negatieve massa in ons universum kan zijn. Het is mogelijk dat we in de toekomst meer leren over de zwaartekracht en leren hoe we op basis van dit principe vliegtuigen kunnen bouwen.
Kunstmatige zwaartekracht is een door de mens gemaakte verandering in de bestaande zwaartekracht. Tegenwoordig hebben we dergelijke technologie niet nodig, maar de situatie zal beslist veranderen na het begin van ruimtevaart op lange termijn. En het ding is onze fysiologie. Het menselijk lichaam, "gewend" door miljoenen jaren evolutie aan de constante zwaartekracht van de aarde, is buitengewoon negatief over de effecten van verminderde zwaartekracht. Lang blijven zelfs in de omstandigheden van de maanzwaartekracht (zes keer zwakker dan die van de aarde) kan tot trieste gevolgen leiden. De illusie van aantrekking kan worden gecreëerd met behulp van andere fysieke krachten, zoals traagheid. Deze opties zijn echter complex en duur. 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.
