La gravità è la forza più potente dell'universo, una delle quattro basi fondamentali dell'universo, che ne determina la struttura. Una volta, grazie a lei, sorsero pianeti, stelle e intere galassie. Oggi mantiene la Terra in orbita nel suo viaggio senza fine attorno al sole.
L'attrazione è di grande importanza per la vita quotidiana dell'uomo. Grazie a questo potere invisibile, gli oceani del nostro mondo pulsano, i fiumi scorrono, le gocce di pioggia cadono a terra. Fin dall'infanzia sentiamo il peso del nostro corpo e degli oggetti circostanti. L'influenza della gravità sulla nostra attività economica è immensa.
La prima teoria della gravità fu creata da Isaac Newton alla fine del XVII secolo. La sua Law of Worldwide descrive questa interazione nell'ambito della meccanica classica. Più ampiamente questo fenomeno fu descritto da Einstein nella sua teoria della relatività generale, che fu pubblicata all'inizio del secolo scorso. I processi che si verificano con il potere delle particelle elementari dovrebbero spiegare la teoria quantistica della gravità, ma deve ancora essere creata.
Oggi conosciamo la natura della gravità molto più che al tempo di Newton, ma, nonostante secoli di studio, rimane ancora un vero ostacolo per la fisica moderna. Nell'esistente teoria della gravità, ci sono molti punti bianchi, e ancora non capiamo esattamente cosa lo causa e come questa interazione viene trasferita. E, naturalmente, siamo molto lontani dall'essere in grado di controllare la forza di gravità, così che l'antigravità o la levitazione esisteranno per molto tempo solo sulle pagine dei romanzi di fantascienza.
Cosa è caduto sulla testa di Newton?
La gente pensava alla natura della forza, che attira sempre gli oggetti sul terreno, ma Isaac Newton riuscì a sollevare il velo della segrete solo nel diciassettesimo secolo. La base per la sua svolta pose le opere di Keplero e Galileo: brillanti scienziati che studiarono i movimenti dei corpi celesti.
Un altro secolo e mezzo prima della legge newtoniana del mondo, l'astronomo polacco Copernico credeva che l'attrazione fosse "... nient'altro che la naturale tendenza con cui il padre dell'universo ha donato tutte le particelle, cioè unire in un tutto, formando corpi sferici". Cartesio considerava l'attrazione come una conseguenza delle perturbazioni nell'etere mondiale. Il filosofo e scienziato greco Aristotele era convinto che la massa influenzi la velocità dei corpi cadenti. E solo Galileo Galilei alla fine del XVI secolo ha dimostrato che questo non è vero: se non c'è resistenza aerea, tutti gli oggetti vengono accelerati allo stesso modo.
Contrariamente alla leggenda comune sulla testa e sulla mela, Newton è andato a comprendere la natura della gravità per più di venti anni. La sua legge di gravità è una delle scoperte scientifiche più significative di tutti i tempi e di tutti i popoli. È universale e consente di calcolare le traiettorie dei corpi celesti e descrive accuratamente il comportamento degli oggetti che ci circondano. La teoria classica del cielo pose le basi della meccanica celeste. Le tre leggi di Newton hanno dato agli scienziati l'opportunità di scoprire nuovi pianeti letteralmente "sulla punta della penna", dopotutto, grazie a loro, l'uomo è stato in grado di superare la gravità terrestre e volare nello spazio. Hanno portato una rigorosa base scientifica sotto il concetto filosofico dell'unità materiale dell'universo, in cui tutti i fenomeni naturali sono interconnessi e controllati da regole fisiche generali.
Newton non ha solo pubblicato una formula per calcolare la forza che attrae i corpi l'uno con l'altro, ha creato un modello completo, che includeva anche l'analisi matematica. Queste conclusioni teoriche sono state ripetutamente confermate nella pratica, incluso l'uso dei metodi più moderni.
Nella teoria newtoniana, qualsiasi oggetto materiale genera un campo di attrazione, che è chiamato gravitazionale. Inoltre, la forza è proporzionale alla massa di entrambi i corpi e inversamente proporzionale alla distanza tra loro:
F = (G m1 m2) / r2
G è la costante gravitazionale, che è 6,67 × 10-11 m³ / (kg · s²). Fu in grado di calcolare per primo Henry Cavendish nel 1798.
Nella vita quotidiana e nelle discipline applicate, la forza con cui la terra attrae il corpo è indicata come il suo peso. L'attrazione tra due oggetti materiali nell'universo è ciò che la gravità è in parole semplici.
La forza di attrazione è la più debole delle quattro interazioni fondamentali della fisica, ma grazie alle sue caratteristiche è in grado di regolare il moto dei sistemi stellari e delle galassie:
- L'attrazione funziona a qualsiasi distanza, questa è la principale differenza tra gravità e interazioni nucleari forti e deboli. Con l'aumentare della distanza, la sua azione diminuisce, ma non diventa mai zero, quindi possiamo dire che anche due atomi a estremità diverse della galassia hanno un effetto reciproco. È solo molto piccolo;
- La gravità è universale. Il campo di attrazione è inerente a qualsiasi corpo materiale. Gli scienziati non hanno ancora scoperto sul nostro pianeta o nello spazio un oggetto che non parteciperebbe all'interazione di questo tipo, quindi il ruolo della gravità nella vita dell'Universo è enorme. Questo è diverso dall'interazione elettromagnetica, il cui effetto sui processi spaziali è minimo, poiché in natura la maggior parte dei corpi è elettricamente neutrale. Le forze gravitazionali non possono essere limitate o schermate;
- Agisce non solo sulla materia, ma anche sull'energia. Per lui, la composizione chimica degli oggetti non ha importanza, solo la loro massa gioca un ruolo.
Usando la formula di Newton, la forza di attrazione può essere facilmente calcolata. Ad esempio, la gravità sulla luna è molte volte più piccola di quella sulla Terra, perché il nostro satellite ha una massa relativamente piccola. Ma è sufficiente per regolare i flussi e riflussi regolari negli oceani. Sulla Terra, l'accelerazione della caduta libera è di circa 9,81 m / s2. E ai poli, è un po 'più grande rispetto all'equatore.
Nonostante l'enorme importanza per l'ulteriore sviluppo della scienza, le leggi di Newton avevano un certo numero di punti deboli che non davano riposo ai ricercatori. Non era chiaro come la gravità agisca attraverso uno spazio assolutamente vuoto per enormi distanze e ad una velocità inconcepibile. Inoltre, i dati iniziarono gradualmente ad accumularsi che contraddicevano le leggi di Newton: per esempio, il paradosso gravitazionale o lo spostamento del perielio di Mercurio. È diventato ovvio che la teoria dell'aggressione universale richiede raffinatezza. Questo onore è toccato al genio del brillante fisico tedesco Albert Einstein.
Attrazione e teoria della relatività
Il rifiuto di Newton di discutere la natura della gravità ("Io non invento ipotesi") era un'ovvia debolezza del suo concetto. Non sorprendentemente, negli anni seguenti apparvero molte teorie di gravità.
La maggior parte apparteneva ai cosiddetti modelli idrodinamici, che cercavano di giustificare l'emergere di un'interazione meccanica di oggetti materiali con una sostanza intermedia che ha determinate proprietà. I ricercatori lo hanno chiamato in modo diverso: "vuoto", "etere", "flusso di gravitoni", ecc. In questo caso, la forza di attrazione tra i corpi è sorto come risultato di un cambiamento in questa sostanza, quando è stata assorbita da oggetti o flussi schermati. In realtà, tutte queste teorie avevano un serio inconveniente: prevedendo piuttosto accuratamente la dipendenza della forza gravitazionale dalla distanza, dovevano condurre alla decelerazione dei corpi che si muovevano relativamente all'etere o al flusso gravitazionale.
Einstein affrontò questo problema da una diversa prospettiva. Nella sua teoria generale della relatività (GTR), la gravità non è vista come un'interazione di forze, ma come una proprietà dello spaziotempo stesso. Qualsiasi oggetto che abbia una massa porta alla sua curvatura, che causa attrazione. In questo caso, la gravità è un effetto geometrico, che è considerato nel quadro della geometria non euclidea.
In parole semplici, il continuum spazio-temporale influisce sulla materia, causandone il movimento. E questo, a sua volta, colpisce lo spazio, "indicandolo" come piegare.
Le forze di attrazione agiscono nel microcosmo, ma a livello delle particelle elementari la loro influenza, rispetto all'interazione elettrostatica, è trascurabile. I fisici credono che l'interazione gravitazionale non sia stata inferiore alle altre nei primi momenti (10 -43 sec.) Dopo il Big Bang.
Attualmente, il concetto di gravità, proposto nella teoria generale della relatività, è la principale ipotesi di lavoro accettata dalla maggior parte della comunità scientifica e confermata dai risultati di numerosi esperimenti.
Einstein nel suo lavoro prevedeva gli effetti sorprendenti delle forze gravitazionali, molte delle quali sono già state confermate. Ad esempio, la possibilità di corpi enormi di piegare i raggi di luce e persino rallentare il passare del tempo. Quest'ultimo fenomeno è necessariamente preso in considerazione quando si utilizzano sistemi di navigazione satellitare globali come GLONASS e GPS, altrimenti in pochi giorni il loro errore sarebbe di decine di chilometri.
Inoltre, la conseguenza della teoria di Einstein sono i cosiddetti effetti sottili della gravità, come il campo magnetico gravitazionale e l'inerzia dei sistemi di riferimento inerziali (noto anche come effetto Lense-Thirring). Queste manifestazioni di forza sono così deboli che per lungo tempo non sono state rilevate. Solo nel 2005, grazie all'eccezionale missione Gravity Probe B della NASA, è stato confermato l'effetto Lense-Thirring.
Radiazione gravitazionale o la scoperta più fondamentale degli ultimi anni
Le onde gravitazionali sono oscillazioni di una struttura spazio-temporale geometrica, che si propaga alla velocità della luce. L'esistenza di questo fenomeno è stata anche predetta da Einstein nella relatività generale, ma a causa della debolezza della forza, la sua magnitudine è molto piccola, quindi non può essere rilevata per molto tempo. Solo prove indirette hanno parlato a favore dell'esistenza di radiazioni.
Tali onde generano qualsiasi oggetto materiale che si muove con accelerazione asimmetrica. Gli scienziati li descrivono come "increspature spazio-temporali". Le più potenti fonti di tali radiazioni sono le galassie in collisione e i sistemi collassanti composti da due oggetti. Un tipico esempio di quest'ultimo caso è la fusione di buchi neri o stelle di neutroni. In tali processi, la radiazione gravitazionale può superare il 50% della massa totale del sistema.
Le onde gravitazionali sono state scoperte per la prima volta nel 2015 utilizzando due osservatori LIGO. Quasi immediatamente, questo evento ha ricevuto lo status della più grande scoperta in fisica negli ultimi decenni. Nel 2017, il premio Nobel è stato assegnato per lui. Dopo di ciò, gli scienziati sono stati più volte in grado di fissare la radiazione gravitazionale.
Negli anni '70 del secolo scorso - molto prima della conferma sperimentale - gli scienziati hanno suggerito l'uso della radiazione gravitazionale per effettuare comunicazioni a distanza. Il suo indubbio vantaggio è l'elevata capacità di passare attraverso qualsiasi sostanza senza essere assorbito. Ma al momento è difficilmente possibile, perché ci sono enormi difficoltà con la generazione e la ricezione di queste onde. Sì, e la vera conoscenza della natura della gravità non è sufficiente.
Oggi ci sono diverse installazioni in diversi paesi in tutto il mondo, simili a LIGO, e nuove sono in costruzione. È probabile che nel prossimo futuro impareremo di più sulle radiazioni gravitazionali.
Teorie alternative dell'ampiezza del mondo e le ragioni della loro creazione
Attualmente, il concetto dominante di gravità è GR. Concorda con l'intera gamma esistente di dati sperimentali e osservazioni. Allo stesso tempo, ha un gran numero di punti apertamente deboli e punti controversi, quindi i tentativi di creare nuovi modelli che spiegano la natura della gravità non cessano.
Tutte le teorie della percezione a livello mondiale che sono state sviluppate finora possono essere suddivise in diversi gruppi principali:
- di serie;
- alternativa;
- quantistica;
- teoria del campo singolo.
I tentativi di creare un nuovo concetto di mondo sono stati fatti nel XIX secolo. Vari autori includevano l'etere o la teoria corpuscolare della luce. Ma l'avvento del GR mise fine a queste esplorazioni. Dopo la sua pubblicazione, l'obiettivo degli scienziati è cambiato: ora i loro sforzi erano mirati a migliorare il modello di Einstein, compresi nuovi fenomeni naturali in esso contenuti: il retro delle particelle, l'espansione dell'Universo, ecc.
All'inizio degli anni '80, i fisici hanno rifiutato sperimentalmente tutti i concetti, ad eccezione di quelli che includevano GTR come parte integrante. In questo momento, è entrato in voga "teorie di stringa", che sembrava molto promettente. Ma una conferma sperimentata di queste ipotesi non è stata trovata. Negli ultimi decenni, la scienza ha raggiunto livelli significativi e ha accumulato una vasta gamma di dati empirici. Oggi, i tentativi di creare teorie di gravità alternative sono ispirati principalmente dalla ricerca cosmologica relativa a concetti come "materia oscura", "inflazione", "energia oscura".
Uno dei compiti principali della fisica moderna è l'unificazione di due direzioni fondamentali: la teoria dei quanti e la relatività generale. Gli scienziati cercano di associare l'attrazione con altri tipi di interazioni, creando così una "teoria di tutto". Questo è esattamente ciò che sta facendo la gravità quantistica - una branca della fisica che sta cercando di fornire una descrizione quantistica dell'interazione gravitazionale. Un ramo di questa direzione è la teoria della gravità del ciclo.
Nonostante gli sforzi attivi ea lungo termine, questo obiettivo non è ancora stato raggiunto. E la questione non è nemmeno nella complessità di questo compito: è semplicemente che le basi della teoria quantistica e del GR sono paradigmi completamente diversi. La meccanica quantistica funziona con i sistemi fisici che agiscono sullo sfondo dello spazio-tempo ordinario. E nella teoria della relatività, lo spazio-tempo stesso è una componente dinamica, a seconda dei parametri dei sistemi classici che sono in esso.
Insieme alle ipotesi scientifiche del mondo, ci sono anche teorie che sono lontane dalla fisica moderna. Purtroppo, negli ultimi anni, questo "opus" ha inondato Internet e gli scaffali delle librerie. Alcuni autori di tali lavori in genere informano il lettore che la gravità non esiste, e le leggi di Newton ed Einstein sono invenzioni e mistificazioni.
Un esempio è il lavoro dello "scienziato" Nikolai Levashov, che afferma che Newton non ha scoperto la legge del mondo, e solo i pianeti e la nostra luna, la luna, hanno una forza gravitazionale nel sistema solare. La prova di questo "scienziato russo" conduce piuttosto strano. Uno di questi è il volo della sonda americana NEAR Shoemaker sull'asteroide Eros, che ha avuto luogo nel 2000. L'assenza di attrazione tra la sonda e il corpo celeste Levashov considera le prove della falsità delle opere di Newton e della cospirazione dei fisici che nascondono la verità sulla gravità dalle persone.
Infatti, il veicolo spaziale ha completato con successo la sua missione: in primo luogo, è andato nell'orbita dell'asteroide e quindi ha fatto un atterraggio morbido sulla sua superficie.
Gravità artificiale e perché è necessario
Due concetti sono associati alla gravità, che, nonostante il loro attuale stato teorico, sono ben noti al grande pubblico. Questa antigravità e gravità artificiale.
L'antigravità è il processo di neutralizzazione della forza di gravità, che può ridurlo o addirittura sostituirlo con la repulsione. Padroneggiare questa tecnologia porterebbe ad una vera rivoluzione nel trasporto, nell'aviazione, nell'esplorazione dello spazio e cambiò radicalmente la nostra intera vita. Ma al momento, la possibilità di anti-gravità non ha nemmeno una conferma teorica. Inoltre, sulla base di GTR, questo fenomeno non è affatto fattibile, poiché non ci può essere massa negativa nel nostro Universo. È possibile che in futuro impareremo di più sulla gravità e impareremo come costruire un aereo sulla base di questo principio.
La gravità artificiale è un cambiamento creato dall'uomo alla forza di gravità esistente. Oggi non abbiamo bisogno di questa tecnologia, ma la situazione cambierà sicuramente dopo l'inizio dei viaggi spaziali a lungo termine. E la cosa è la nostra fisiologia. Il corpo umano, "abituato" da milioni di anni di evoluzione alla costante gravità della Terra, è estremamente negativo sugli effetti della gravità ridotta. Lunga permanenza anche nelle condizioni di gravità lunare (sei volte più debole di quella terrestre) può portare a tristi conseguenze. L'illusione dell'attrazione può essere creata usando altre forze fisiche, come l'inerzia. Tuttavia, queste opzioni sono complesse e costose. 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.
