Sisu
Enamikul inimestel, teaduslikult orienteeritud või muul viisil, on vähemalt ebamäärane ettekujutus, et mingi kogus või mõiste, mida nimetatakse "gravitatsiooniks", hoiab objekte, kaasa arvatud ise, Maa külge kinni. Nad mõistavad, et see on üldiselt õnnistus, kuid teatud olukordades vähem - näiteks kui puutüvel on puu otsas ja pole kindel, kuidas maapinnale tagasi pääseda või kui proovite püstitada uue isikliku rekordi. sündmus nagu kõrgushüpe või poolvõlv.
Raskusjõu mõistet ise on võib-olla keeruline hinnata seni, kuni näeme, mis juhtub, kui selle mõju väheneb või hävib, näiteks kui vaadata astronautide kaadreid kosmosejaamas, mis tiirleb Maa pinnast kaugel planeedil. Ja tõepoolest, füüsikutel pole vähe aimugi, mis lõppkokkuvõttes gravitatsiooni "põhjustab", enam kui nad suudavad meist kellelegi öelda, miks universum üldse eksisteerib. Füüsikud on aga koostanud võrrandid, mis kirjeldavad, mida gravitatsioon teeb erakordselt hästi, mitte ainult Maal, vaid kogu kosmoses.
Gravitatsiooni lühiajalugu
Üle 2000 aasta tagasi tulid antiik-Kreeka mõtlejad välja hulgaliselt ideid, mis on suures osas ajaproovile vastu pidanud ja tänapäevaseks jäänud. Nad leidsid, et kaugemad objektid, nagu näiteks planeedid ja tähed (tõelised kaugused Maast, mida vaatlejatel muidugi polnud teada), olid tegelikult üksteisega füüsiliselt seotud, hoolimata sellest, et arvatavasti pole neil midagi ühendavat nagu kaablid või köied. koos. Muude teooriate puudumisel tegid kreeklased ettepaneku, et päikese, kuu, tähtede ja planeetide liikumise dikteeriks jumalate kapriis. (Tegelikult said kõik planeedid teada, et neil päevil nimetati jumalaid.) Ehkki see teooria oli kena ja otsustav, ei olnud see kontrollitav ega olnud seetõttu enam kui rahuldavama ja teaduslikult rangema seletuse võimalus.
Alles umbes 300–400 aastat tagasi tõdesid sellised astronoomid nagu Tycho Brahe ja Galileo Galilei, et vastupidiselt tolle aja 15 sajandi vanustele piibliõpetustele keerlesid Maa ja planeedid ümber Päikese, mitte aga Maa kohal. universumi kese. See sillutas teed gravitatsiooni uurimiseks, nagu seda praegu mõistetakse.
Gravitatsiooniteooriad
Hilis teoreetilise füüsiku Jacob Bekensteini poolt CalTechile kirjutatud essees väljendatud võimalus objektide vahelisele gravitatsioonilisele külgetõmbele on sama kui "pikamaa jõud, mida elektriliselt neutraalsed kehad üksteise suhtes avaldavad, nende ainesisalduse tõttu". See tähendab, et kuigi objektid võivad elektrostaatilise laengu erinevuste tagajärjel kogeda jõudu, põhjustab gravitatsioon hoopis tugevusest tingitud tugevuse. Tehniliselt avaldavad teie ja arvuti, telefon või tahvelarvuti seda lugedes üksteisele gravitatsioonilisi jõude, kuid teie ja teie Interneti-toega seade on nii väikesed, et see jõud on praktiliselt märkamatu. Ilmselt on planeetide, tähtede, tervete galaktikate ja isegi galaktikate klastrite mõõtkavas olevate objektide puhul see teine lugu.
Isaac Newton (1642-1727), keda peetakse üheks ajaloo hiilgavamaks matemaatiliseks mõttemaailmaks ja arvutusvaldkonna üheks leiutajaks, tegi ettepaneku, et gravitatsioonijõud kahe objekti vahel oleks otseselt võrdeline nende tootega massid ja pöördvõrdeline nendevahelise vahemaa ruuduga. See toimub võrrandi kujul:
Fgrav = (G × m1 × m2) / r2
kus Fgrav on gravitatsioonijõud njuutonites, m1 ja m2 on objektide mass kilogrammides, r on objektide eralduskaugus meetrites ja proportsionaalsuskonstandi G väärtus on 6,67 × 10-11 (N ⋅ m2) / kg2.
Ehkki see võrrand töötab suurepäraselt ka igapäevastel eesmärkidel, väheneb selle väärtus, kui vaadeldavad objektid on relativistlikud, see tähendab, et neid kirjeldavad massid ja kiirused, mis jäävad väljaspool tüüpilisi inimkogemusi. Siit tuleb sisse Einsteini gravitatsiooniteooria.
Einsteini relatiivsusteooria
Aastal 1905 avaldas Albert Einstein, kelle nimi on teaduse ajaloos kõige äratuntavam ja kõige sünonüümsem geeniustasemelise iseloomuga temaatilistele, oma spetsiaalse relatiivsusteooria. Muude mõjude kaudu, mis sellel oli füüsika olemasolevatele teadmistele, seadis ta kahtluse alla Newtoni gravitatsioonikontseptsiooni sisse ehitatud oletuse, mille kohaselt tegelikult toimib gravitatsioon objektide vahel, sõltumata nende eraldumise ulatusest. Pärast Einsteini arvutusi tehti kindlaks, et valguse kiirus 3 × 108 m / s või umbes 186 000 miili sekundis, pani ülemise piiri sellele, kui kiiresti midagi kosmoses levida võiks, tundusid Newtoni ideed äkki haavatavad, vähemalt teatud juhtudel. Teisisõnu, kuigi Newtoni gravitatsiooniteooria jätkas peaaegu kõigis ettekujutatavates miinustes imetlusväärset toimimist, ei olnud see selgelt gravitatsiooni universaalselt tõene kirjeldus.
Einstein veetis järgmised 10 aastat uue teooria sõnastamisel, ühe, mis sobitaks Newtoni põhilise gravitatsioonilise raamistiku ülemise piirkiirusega valguse kiirusele, mis kehtestati või näib kehtestavat kõigile universumi protsessidele. Tulemuseks, mille Einstein tutvustas 1915. aastal, saadi üldine relatiivsusteooria. Selle teooria, mis moodustab kõigi gravitatsiooniteooriate aluse tänapäevani, võidukäik seisneb selles, et see piiras gravitatsiooni kontseptsiooni kui ruumi-aja kumeruse ilmingut, mitte kui jõudu per se. See idee polnud täiesti uus; matemaatik Georg Bernhard Riemann oli sellega seotud ideid koostanud 1854. aastal. Kuid Einstein muutis gravitatsioonilise teooria puhtalt füüsiliste jõudude juurest juurest geomeetriapõhisemaks teooriaks: see tegi ettepaneku kolme ruumilise mõõtme kaasamiseks de facto neljandaks mõõtmeks - ajaks. mis olid juba tuttavad.
Maa raskus ja kaugemal
Einsteini üldrelatiivsusteooria üks tagajärgi on see, et gravitatsioon töötab sõltumatult objektide massist või füüsikalisest koostisest. See tähendab, et muu hulgas langevad pilvelõhkuja ülaosast alla kukkunud kahurikuul ja marmor sama kiirusega maapinna poole, mida kiirendatakse gravitatsiooni jõu abil täpselt samal määral, vaatamata sellele, et üks on palju massiivsem kui teine . (Täielikkuse huvides on oluline märkida, et see on tehniliselt tõsi ainult vaakumis, kus õhutakistus ei ole probleem. Sule langeb selgelt aeglasemalt kui lask pannakse, kuid vaakumis see nii ei oleks. .) See Einsteini idee aspekt oli piisavalt kontrollitav. Aga kuidas on relativistlike olukordadega?
Juulis 2018 lõpetas rahvusvaheline astronoomide meeskond uuringu Maast 4200 valgusaasta kaugusel asuva kolmetäheliste süsteemi kohta. Valgusaasta on kaugus, mille valgus läbib ühe aasta jooksul (umbes kuus triljonit miili), see tähendab, et siin Maal astronoomid jälgisid valgust paljastavaid nähtusi, mis tegelikult aset leidsid umbes 2200 B. C. See ebaharilik süsteem koosneb kahest pisikesest tihedast tähest - üks "pulsar", mis pöörleb oma teljel 366 korda sekundis, ja teine on valge kääbus -, kes tiirlevad üksteise ümber märkimisväärselt lühikese, 1,6 päeva pikkuse perioodiga. See paar tiirleb omakorda kaugema valge kääbustähe iga 327 päeva tagant. Lühidalt, ainus raskusjõu kirjeldus, mis võis arvestada kolme tähe vastastikuseid meeletuid liikumisi selles ülimalt ebaharilikus süsteemis, oli Einsteini üldine relatiivsusteooria - ja võrrandid sobivad olukorraga tegelikult ideaalselt.