جاذبه گرانشی. گرانش مصنوعی و راه های ایجاد آن

از زمان های قدیم، بشریت به نحوه عملکرد دنیای اطراف ما فکر کرده است. چرا علف رشد می کند، چرا خورشید می درخشد، چرا نمی توانیم پرواز کنیم ... اتفاقاً دومی همیشه مورد توجه مردم بوده است. اکنون می دانیم که جاذبه دلیل همه چیز است. چیست و چرا این پدیده در مقیاس کیهان بسیار مهم است، امروز به بررسی خواهیم پرداخت.

بخش مقدماتی

دانشمندان دریافته‌اند که تمام اجسام عظیم جذب یکدیگر را تجربه می‌کنند. متعاقباً معلوم شد که این نیروی اسرارآمیز حرکت اجرام آسمانی را در مدارهای ثابت آنها نیز تعیین می کند. خود نظریه گرانش توسط یک نابغه فرموله شد که فرضیه‌هایش پیشرفت فیزیک را برای قرن‌های آینده از پیش تعیین کردند. آلبرت اینشتین، یکی از بزرگ‌ترین ذهن‌های قرن گذشته، این آموزش را توسعه داد و ادامه داد (البته در جهتی کاملاً متفاوت).

قرن هاست که دانشمندان گرانش را مشاهده کرده و سعی در درک و اندازه گیری آن داشته اند. بالاخره در چند دهه اخیر حتی پدیده ای مانند جاذبه در خدمت بشریت (البته به معنایی خاص) قرار گرفته است. چیست، تعریف اصطلاح مورد بحث در علم مدرن چیست؟

تعریف علمی

اگر آثار متفکران باستانی را مطالعه کنید، می توانید دریابید که کلمه لاتین "گراویتا" به معنای "جاذبه"، "جاذبه" است. امروزه دانشمندان این را تعامل جهانی و ثابت بین اجسام مادی می نامند. اگر این نیرو نسبتا ضعیف باشد و فقط بر روی اجسامی که بسیار کندتر حرکت می کنند عمل کند، نظریه نیوتن برای آنها قابل اجرا است. اگر وضعیت برعکس باشد، باید از نتیجه گیری های اینشتین استفاده کرد.

بیایید فوراً رزرو کنیم: در حال حاضر، ماهیت گرانش در اصل کاملاً درک نشده است. ما هنوز به طور کامل نمی فهمیم چیست.

نظریه های نیوتن و انیشتین

طبق آموزه کلاسیک اسحاق نیوتن، همه اجسام با نیرویی که مستقیماً با جرم آنها متناسب است، یکدیگر را جذب می کنند، که با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. انیشتین استدلال می کرد که گرانش بین اجسام در مورد انحنای فضا و زمان خود را نشان می دهد (و انحنای فضا تنها در صورتی امکان پذیر است که ماده در آن وجود داشته باشد).

این ایده بسیار عمیق بود، اما تحقیقات مدرن تا حدودی نادرست بودن آن را ثابت می کند. امروزه اعتقاد بر این است که گرانش در فضا فقط فضا را خم می کند: زمان می تواند کند شود و حتی متوقف شود، اما واقعیت تغییر شکل ماده موقت از نظر تئوری تأیید نشده است. بنابراین، معادله کلاسیک انیشتین حتی این شانس را ندارد که فضا همچنان بر ماده و میدان مغناطیسی حاصله تأثیر بگذارد.

قانون گرانش (گرانش جهانی) شناخته شده است که بیان ریاضی آن متعلق به نیوتن است:

\[F = γ \frac[-1.2](m_1 m_2)(r^2) \]

γ به ثابت گرانشی اشاره دارد (گاهی اوقات از نماد G استفاده می شود)، که مقدار آن 6.67545 × 10-11 m³/(kg s²) است.

برهمکنش بین ذرات بنیادی

پیچیدگی باورنکردنی فضای اطراف ما تا حد زیادی به دلیل تعداد نامتناهی ذرات بنیادی است. همچنین تعاملات مختلفی بین آنها در سطوحی وجود دارد که ما فقط می توانیم حدس بزنیم. با این حال، همه انواع برهمکنش بین ذرات بنیادی به طور قابل توجهی در قدرت آنها متفاوت است.

قوی ترین نیروهایی که ما می شناسیم اجزای هسته اتم را به هم متصل می کنند. برای جدا کردن آنها، باید انرژی واقعاً عظیمی را صرف کنید. در مورد الکترون‌ها، آنها فقط توسط الکترون‌های معمولی به هسته متصل می‌شوند تا آن را متوقف کنند، گاهی اوقات انرژی که در نتیجه عادی‌ترین واکنش شیمیایی ظاهر می‌شود، کافی است. گرانش (شما قبلاً می دانید چیست) به شکل اتم ها و ذرات زیراتمی ساده ترین نوع برهمکنش است.

میدان گرانشی در این مورد آنقدر ضعیف است که تصور آن دشوار است. به اندازه کافی عجیب، این آنها هستند که حرکت اجرام آسمانی را که گاهی تصور جرم آنها غیرممکن است، "نظارت" می کنند. همه اینها به لطف دو ویژگی گرانش امکان پذیر است که به ویژه در مورد اجسام فیزیکی بزرگ مشخص می شود:

• بر خلاف اتمی، در فاصله از جسم بیشتر قابل توجه است. بنابراین، گرانش زمین حتی ماه را در میدان خود نگه می‌دارد و نیروی مشابهی از مشتری به راحتی از مدار چندین ماهواره به طور همزمان پشتیبانی می‌کند که جرم هر یک از آنها کاملاً با جرم زمین قابل مقایسه است!
• علاوه بر این، همیشه بین اجسام جاذبه ایجاد می کند و با فاصله گرفتن این نیرو با سرعت کمی ضعیف می شود.

شکل گیری یک نظریه کم و بیش منسجم گرانش نسبتاً اخیراً و دقیقاً بر اساس نتایج مشاهدات چند صد ساله حرکت سیارات و سایر اجرام آسمانی اتفاق افتاده است. این کار با این واقعیت تسهیل شد که همه آنها در خلاء حرکت می کنند، جایی که به سادگی هیچ تعامل احتمالی دیگری وجود ندارد. گالیله و کپلر، دو ستاره شناس برجسته آن زمان، با ارزشمندترین مشاهدات خود زمینه را برای اکتشافات جدید فراهم کردند.

اما فقط اسحاق نیوتن بزرگ توانست اولین نظریه گرانش را ایجاد کند و آن را به صورت ریاضی بیان کند. این اولین قانون گرانش بود که نمایش ریاضی آن در بالا ارائه شده است.

نتیجه گیری های نیوتن و برخی از پیشینیان او

بر خلاف سایر پدیده های فیزیکی که در دنیای اطراف ما وجود دارند، جاذبه همیشه و همه جا خود را نشان می دهد. شما باید درک کنید که اصطلاح "گرانش صفر" که اغلب در محافل شبه علمی یافت می شود، بسیار نادرست است: حتی بی وزنی در فضا به این معنی نیست که یک شخص یا یک سفینه فضایی تحت تأثیر گرانش یک جسم عظیم قرار نگیرد.

علاوه بر این، تمام اجسام مادی دارای جرم مشخصی هستند که به صورت نیرویی که به آنها اعمال می شود و شتاب حاصل از این تأثیر بیان می شود.

بنابراین، نیروهای گرانشی با جرم اجسام متناسب هستند. آنها را می توان با بدست آوردن حاصل ضرب جرم های هر دو جسم مورد نظر به صورت عددی بیان کرد. این نیرو به شدت از رابطه معکوس با مربع فاصله بین اجسام تبعیت می کند. تمام فعل و انفعالات دیگر کاملاً متفاوت به فواصل بین دو جسم بستگی دارد.

توده به عنوان سنگ بنای نظریه

انبوه اجسام به یک نقطه اختلاف ویژه تبدیل شده است که کل نظریه مدرن گرانش و نسبیت اینشتین حول آن بنا شده است. اگر دومی را به خاطر داشته باشید، احتمالاً می دانید که جرم یک ویژگی اجباری برای هر جسم مادی فیزیکی است. این نشان می دهد که اگر یک جسم به آن نیرو وارد شود، بدون توجه به منشا آن، چگونه رفتار می کند.

از آنجایی که تمام اجسام (به گفته نیوتن) با قرار گرفتن در معرض یک نیروی خارجی شتاب می گیرند، این جرم است که تعیین می کند این شتاب چقدر خواهد بود. بیایید به یک مثال قابل درک تر نگاه کنیم. یک اسکوتر و یک اتوبوس را تصور کنید: اگر دقیقاً نیروی یکسانی به آنها اعمال کنید، در زمان های مختلف به سرعت های متفاوتی می رسند. نظریه گرانش همه اینها را توضیح می دهد.

رابطه جرم و گرانش چیست؟

اگر در مورد گرانش صحبت کنیم، جرم در این پدیده نقشی کاملاً متضاد با نقشی که در رابطه با نیرو و شتاب یک جسم ایفا می کند، ایفا می کند. این اوست که خود منبع اصلی جذب است. اگر دو جسم را بردارید و به نیرویی که آنها جسم سومی را که در فواصل مساوی از دو جسم اول قرار دارد نگاه کنید، نسبت تمام نیروها برابر با نسبت جرم دو جسم اول خواهد بود. بنابراین نیروی گرانش با جرم بدن نسبت مستقیم دارد.

اگر قانون سوم نیوتن را در نظر بگیریم، می بینیم که دقیقاً همان چیزی را می گوید. نیروی گرانش که بر دو جسمی که در فواصل مساوی از منبع جاذبه قرار دارند تأثیر می گذارد، مستقیماً به جرم این اجسام بستگی دارد. در زندگی روزمره، ما در مورد نیرویی که یک جسم به عنوان وزن آن به سطح سیاره جذب می شود صحبت می کنیم.

بیایید چند نتیجه را خلاصه کنیم. بنابراین جرم رابطه نزدیکی با شتاب دارد. در عین حال، این اوست که نیرویی را تعیین می کند که گرانش روی بدن تأثیر می گذارد.

ویژگی های شتاب اجسام در میدان گرانشی

این دوگانگی شگفت انگیز دلیلی است که در یک میدان گرانشی یکسان، شتاب اجرام کاملاً متفاوت برابر خواهد بود. فرض کنید دو بدن داریم. بیایید جرم z را به یکی از آنها اختصاص دهیم و جرم Z را به دیگری اختصاص دهیم.

نسبت نیروهای جاذبه چگونه تعیین می شود؟ با ساده ترین فرمول ریاضی - z/Z نشان داده می شود. اما شتابی که در نتیجه نیروی گرانش دریافت می کنند کاملاً یکسان خواهد بود. به بیان ساده، شتابی که یک جسم در میدان گرانشی دارد به هیچ وجه به خواص آن بستگی ندارد.

شتاب در مورد توصیف شده به چه چیزی بستگی دارد؟

این فقط (!) به جرم اشیایی که این میدان را ایجاد می کنند و همچنین به موقعیت مکانی آنها بستگی دارد. نقش دوگانه جرم و شتاب برابر اجسام مختلف در یک میدان گرانشی برای مدت نسبتا طولانی کشف شده است. این پدیده ها نام زیر را دریافت کردند: "اصل هم ارزی". این اصطلاح بار دیگر تأکید می کند که شتاب و اینرسی اغلب معادل هستند (البته تا حدی).

درباره اهمیت مقدار G

از درس فیزیک مدرسه، ما به یاد داریم که شتاب گرانش در سطح سیاره ما (گرانش زمین) برابر با 10 متر بر ثانیه است (البته 9.8، اما این مقدار برای سادگی محاسبات استفاده می شود). بنابراین، اگر مقاومت هوا (در ارتفاع قابل توجه با فاصله سقوط کوتاه) را در نظر نگیرید، زمانی که بدن شتاب 10 متر بر ثانیه افزایش یابد، این اثر را دریافت خواهید کرد. در هر ثانیه. بنابراین کتابی که از طبقه دوم خانه به زمین افتاده باشد تا پایان پرواز خود با سرعت 30-40 متر بر ثانیه حرکت می کند. به بیان ساده، 10 متر بر ثانیه "سرعت" گرانش در زمین است.

شتاب گرانش در ادبیات فیزیکی با حرف "g" نشان داده می شود. از آنجایی که شکل زمین تا حدی بیشتر یادآور نارنگی است تا کره، ارزش این کمیت در همه مناطق آن یکسان نیست. بنابراین، شتاب در قطب ها بیشتر و در قله های کوه های مرتفع کمتر می شود.

حتی در صنعت معدن، گرانش نقش مهمی دارد. فیزیک این پدیده گاهی اوقات می تواند زمان زیادی را ذخیره کند. بنابراین، زمین شناسان به ویژه به تعیین دقیق g علاقه مند هستند، زیرا این به آنها اجازه می دهد تا ذخایر معدنی را با دقت استثنایی کشف و مکان یابی کنند. به هر حال، فرمول گرانش چگونه است که کمیتی که ما در نظر گرفتیم نقش مهمی در آن ایفا می کند؟ او اینجاست:

توجه داشته باشید! در این مورد، فرمول گرانش G به معنای "ثابت گرانشی" است، که معنای آن را قبلاً در بالا بیان کردیم.

زمانی نیوتن اصول فوق را تدوین کرد. او وحدت و همگانی را کاملاً درک می کرد، اما نمی توانست همه جنبه های این پدیده را توصیف کند. این افتخار نصیب آلبرت اینشتین شد که توانست اصل هم ارزی را نیز توضیح دهد. درک مدرن از ماهیت پیوستار فضا-زمان را بشریت مدیون اوست.

نظریه نسبیت، آثار آلبرت انیشتین

در زمان اسحاق نیوتن، اعتقاد بر این بود که نقاط مرجع را می توان به شکل نوعی "میله" سفت و سخت نشان داد، که با کمک آنها موقعیت یک جسم در یک سیستم مختصات فضایی ایجاد می شود. در همان زمان، فرض بر این بود که همه ناظرانی که این مختصات را علامت گذاری می کنند در یک فضای زمانی یکسان باشند. در آن سال ها این حکم به قدری بدیهی تلقی می شد که هیچ تلاشی برای چالش یا تکمیل آن صورت نگرفت. و این قابل درک است، زیرا در داخل مرزهای سیاره ما هیچ انحرافی در این قانون وجود ندارد.

انیشتین ثابت کرد که اگر یک ساعت فرضی به طور قابل توجهی کندتر از سرعت نور حرکت کند، دقت اندازه گیری بسیار مهم است. به بیان ساده، اگر یک ناظر، که کندتر از سرعت نور حرکت می‌کند، دو رویداد را دنبال کند، آن‌ها همزمان برای او اتفاق می‌افتند. بر این اساس برای ناظر دوم؟ که سرعت آنها یکسان یا بیشتر است، رویدادها می توانند در زمان های مختلف رخ دهند.

اما گرانش چه ارتباطی با نظریه نسبیت دارد؟ بیایید این سوال را با جزئیات بررسی کنیم.

ارتباط بین نظریه نسبیت و نیروهای گرانشی

در سال های اخیر، تعداد زیادی اکتشاف در زمینه ذرات زیر اتمی انجام شده است. این باور قوی‌تر می‌شود که ما در شرف یافتن ذره نهایی هستیم، که دنیای ما فراتر از آن نمی‌تواند تکه تکه شود. نیاز به یافتن دقیق چگونگی تأثیرپذیری کوچک‌ترین «بلوک‌های سازنده» جهان ما از آن نیروهای بنیادی که در قرن گذشته یا حتی قبل از آن کشف شده‌اند، اصرار بیشتری پیدا می‌کند. به خصوص ناامید کننده است که ماهیت گرانش هنوز توضیح داده نشده است.

به همین دلیل است که پس از انیشتین که «ناتوانی» مکانیک کلاسیک نیوتن را در منطقه مورد بررسی ثابت کرد، محققان بر روی بازنگری کامل داده‌های به‌دست‌آمده قبلی تمرکز کردند. جاذبه خود دستخوش یک بازنگری اساسی شده است. در سطح ذرات زیراتمی چیست؟ آیا در این دنیای شگفت انگیز چند بعدی اهمیتی دارد؟

یک راه حل ساده؟

در ابتدا، بسیاری تصور کردند که اختلاف بین گرانش نیوتن و نظریه نسبیت را می توان به سادگی با ترسیم قیاس هایی از حوزه الکترودینامیک توضیح داد. می توان فرض کرد که میدان گرانشی مانند یک میدان مغناطیسی منتشر می شود، پس از آن می توان آن را به عنوان "واسطه" در فعل و انفعالات اجرام سماوی اعلام کرد و بسیاری از ناسازگاری های بین تئوری های قدیمی و جدید را توضیح می دهد. واقعیت این است که در این صورت سرعت نسبی انتشار نیروهای مورد بحث به طور قابل توجهی کمتر از سرعت نور خواهد بود. پس جاذبه و زمان چگونه به هم مرتبط هستند؟

اصولاً خود اینشتین تقریباً موفق شد نظریه ای نسبیتی را بر اساس دقیقاً چنین دیدگاه هایی بسازد، اما فقط یک شرایط مانع از قصد او شد. هیچ یک از دانشمندان آن زمان اصلاً اطلاعاتی نداشتند که بتواند به تعیین "سرعت" گرانش کمک کند. اما اطلاعات زیادی در رابطه با تحرکات توده های بزرگ وجود داشت. همانطور که مشخص است، آنها دقیقاً منبع پذیرفته شده عمومی ظهور میدان های گرانشی قدرتمند بودند.

سرعت های بالا به شدت بر توده اجسام تأثیر می گذارد و این به هیچ وجه شبیه به تعامل سرعت و بار نیست. هر چه سرعت بیشتر باشد، توده بدن بیشتر می شود. مشکل این است که اگر با سرعت نور یا بیشتر حرکت کند، مقدار دوم به طور خودکار بی نهایت می شود. بنابراین، انیشتین به این نتیجه رسید که یک میدان گرانشی وجود ندارد، بلکه یک میدان تانسوری وجود دارد که برای توصیف آن باید از متغیرهای بسیار بیشتری استفاده کرد.

پیروان او به این نتیجه رسیدند که جاذبه و زمان عملاً هیچ ارتباطی با هم ندارند. واقعیت این است که خود این میدان تانسوری می تواند روی فضا عمل کند، اما قادر به تأثیرگذاری بر زمان نیست. با این حال، استیون هاوکینگ، فیزیکدان برجسته مدرن، دیدگاه متفاوتی دارد. اما این یک داستان کاملا متفاوت است ...

ما روی زمین زندگی می کنیم، در امتداد سطح آن حرکت می کنیم، گویی در امتداد لبه صخره ای صخره ای که بر فراز پرتگاهی بی انتها بالا می رود. ما در این لبه پرتگاه تنها به لطف آنچه بر ما تأثیر می گذارد می مانیم نیروی گرانشی زمین; ما فقط به این دلیل از سطح زمین نمی افتیم که همانطور که می گویند وزن خاصی داریم. اگر گرانش سیاره ما به طور ناگهانی از کار بیفتد، فوراً از این "صخره" پرواز می کنیم و به سرعت به ورطه فضا پرواز می کنیم. ما بی پایان در ورطه فضای جهان می شتابیم، نه از بالا و نه پایین.

حرکت در زمین

به او در حال حرکت در اطراف زمینما همچنین آن را مدیون گرانش هستیم. ما روی زمین راه می رویم و دائماً بر مقاومت این نیرو غلبه می کنیم و عمل آن را مانند وزنه سنگینی روی پاهای خود احساس می کنیم. این "بار" مخصوصاً هنگام بالا رفتن از سربالایی احساس می شود ، هنگامی که مجبور هستید آن را بکشید ، مانند وزنه های سنگینی که از پاهای شما آویزان است. هنگام پایین آمدن از کوه ما را تحت تأثیر قرار نمی دهد و ما را مجبور می کند قدم هایمان را تندتر کنیم. غلبه بر جاذبه هنگام حرکت در اطراف زمین. این جهت ها - "بالا" و "پایین" - فقط با نیروی گرانش به ما نشان داده می شود. در تمام نقاط سطح زمین تقریباً به مرکز زمین هدایت می شود. بنابراین، مفاهیم "پایین" و "بالا" برای به اصطلاح آنتی پادها، یعنی افرادی که در قسمت های کاملاً مخالف سطح زمین زندگی می کنند، کاملاً متضاد خواهند بود. به عنوان مثال، جهتی که برای کسانی که در مسکو زندگی می کنند "پایین" را نشان می دهد، برای ساکنان Tierra del Fuego "بالا" را نشان می دهد. جهت نشان دادن "پایین" برای افراد در قطب و در استوا زوایای قائم است. آنها عمود بر یکدیگر هستند. در خارج از زمین، با فاصله از زمین، نیروی گرانش کاهش می یابد، با کاهش نیروی گرانش (نیروی جاذبه زمین، مانند هر جسم دیگری، به طور نامحدودی در فضا گسترش می یابد) و نیروی گریز از مرکز افزایش می یابد، که کاهش می یابد. نیروی گرانش در نتیجه، هرچه مقداری محموله را بالاتر ببریم، مثلاً در بالن، وزن این محموله کمتر می شود.

نیروی گریز از مرکز زمین

با توجه به چرخش روزانه بوجود می آید نیروی گریز از مرکز زمین. این نیرو در همه جای سطح زمین در جهت عمود بر محور زمین و دور از آن عمل می کند. نیروی گریز از مرکزکوچک در مقایسه با جاذبه زمین. در خط استوا به بیشترین مقدار خود می رسد. اما در اینجا، طبق محاسبات نیوتن، نیروی گریز از مرکز تنها 1/289 نیروی جاذبه است. هر چه از خط استوا به سمت شمال دورتر باشید، نیروی گریز از مرکز کمتر می شود. در خود قطب صفر است.
عمل نیروی گریز از مرکز زمین. در برخی ارتفاعات نیروی گریز از مرکزبه قدری افزایش می یابد که برابر با نیروی جاذبه می شود و نیروی گرانش ابتدا صفر می شود و سپس با افزایش فاصله از زمین مقدار منفی می گیرد و پیوسته افزایش می یابد و به سمت زمین هدایت می شود. جهت مخالف نسبت به زمین

جاذبه زمین

نیروی حاصل از گرانش زمین و نیروی گریز از مرکز نامیده می شود جاذبه زمین. نیروی گرانش در تمام نقاط سطح زمین اگر توپ ما یک توپ کاملا دقیق و منظم بود، اگر جرم آن در همه جا یکسان بود و در نهایت، اگر چرخش روزانه حول محورش وجود نداشت، یکسان بود. اما از آنجایی که زمین ما یک کره منظم نیست، در تمام قسمت های آن از سنگ هایی با تراکم یکسان تشکیل نشده است و همیشه در حال چرخش است، در نتیجه، نیروی گرانش در هر نقطه از سطح زمین کمی متفاوت است. بنابراین، در هر نقطه از سطح زمین بزرگی گرانش به بزرگی نیروی گریز از مرکز، که نیروی جاذبه را کاهش می دهد، به چگالی سنگ های زمین و فاصله از مرکز زمین بستگی دارد.. هر چه این فاصله بیشتر باشد، گرانش کمتر است. شعاع های زمین که در یک انتها به نظر می رسد در برابر استوای زمین قرار گرفته اند، بزرگترین هستند. شعاع هایی که به قطب شمال یا جنوب ختم می شوند کوچکترین هستند. بنابراین، تمام اجسام در استوا گرانش کمتری (وزن کمتر) نسبت به قطب دارند. مشخص است که در قطب گرانش از خط استوا 1/289 بیشتر است. این تفاوت گرانش اجسام مشابه در استوا و قطب را می توان با وزن کردن آنها با استفاده از تعادل فنری تعیین کرد. اگر اجسام را روی ترازو با وزنه وزن کنیم، متوجه این تفاوت نمی شویم. ترازو هم در قطب و هم در استوا وزن یکسانی را نشان می دهد. وزن‌ها نیز مانند بدن‌هایی که وزن می‌شوند، البته تغییر وزن خواهند داشت.
مقیاس فنری به عنوان راهی برای اندازه گیری گرانش در استوا و در قطب. فرض کنید یک کشتی با محموله حدود 289 هزار تن در مناطق قطبی نزدیک به قطب وزن دارد. به محض ورود به بنادر نزدیک خط استوا، کشتی با محموله تنها حدود 288 هزار تن وزن خواهد داشت. بنابراین، کشتی در خط استوا حدود هزار تن وزن از دست داد. تمام اجسام تنها به این دلیل روی سطح زمین نگه داشته می شوند که گرانش روی آنها اثر می گذارد. صبح، وقتی از رختخواب بیرون می آیید، فقط به این دلیل که این نیرو آنها را به سمت پایین می کشد، می توانید پاهای خود را روی زمین پایین بیاورید.

جاذبه در داخل زمین

بیایید ببینیم چگونه تغییر می کند جاذبه در داخل زمین. همانطور که به عمق زمین می رویم، گرانش به طور مداوم تا یک عمق خاص افزایش می یابد. در عمق حدود هزار کیلومتری، گرانش حداکثر (بزرگترین) مقدار را خواهد داشت و در مقایسه با مقدار میانگین آن در سطح زمین (9.81 متر بر ثانیه) تقریباً پنج درصد افزایش می یابد. با تعمیق بیشتر، نیروی گرانش به طور مداوم کاهش می یابد و در مرکز زمین برابر با صفر خواهد بود.

فرضیات در مورد چرخش زمین

ما زمین در حال چرخش استدر 24 ساعت یک دور کامل به دور محور خود می کند. همانطور که مشخص است نیروی گریز از مرکز به نسبت مجذور سرعت زاویه ای افزایش می یابد. بنابراین، اگر زمین به چرخش خود به دور محور خود 17 برابر شتاب دهد، نیروی گریز از مرکز 17 برابر مربع، یعنی 289 برابر افزایش می یابد. در شرایط عادی، همانطور که در بالا ذکر شد، نیروی گریز از مرکز در استوا 1/289 نیروی گرانشی است. هنگام افزایش 17 برابر نیروی گرانش و نیروی گریز از مرکز برابر می شود. نیروی گرانش - حاصل این دو نیرو - با چنین افزایشی در سرعت چرخش محوری زمین برابر با صفر خواهد بود.
مقدار نیروی گریز از مرکز در طول چرخش زمین. این سرعت چرخش زمین به دور محورش بحرانی نامیده می شود، زیرا با چنین سرعت چرخش سیاره ما، تمام اجسام در استوا وزن خود را از دست می دهند. طول روز در این مورد بحرانی تقریباً 1 ساعت و 25 دقیقه خواهد بود. با شتاب بیشتر چرخش زمین، تمام اجسام (عمدتاً در خط استوا) ابتدا وزن خود را از دست می دهند و سپس با نیروی گریز از مرکز به فضا پرتاب می شوند و خود زمین نیز با همان نیرو تکه تکه می شود. اگر زمین جسمی کاملاً صلب بود و با شتاب دادن به حرکت چرخشی خود، شکل خود را تغییر نمی داد، به عبارت دیگر، اگر شعاع استوای زمین مقدار خود را حفظ می کرد، نتیجه گیری ما صحیح خواهد بود. اما مشخص است که با شتاب گرفتن چرخش زمین، سطح آن باید دچار تغییر شکل شود: شروع به فشرده شدن در جهت قطب ها می کند و در جهت استوا منبسط می شود. ظاهری به طور فزاینده ای صاف به خود می گیرد. طول شعاع استوای زمین شروع به افزایش می کند و در نتیجه نیروی گریز از مرکز را افزایش می دهد. بنابراین، اجسام در خط استوا قبل از اینکه سرعت چرخش زمین 17 برابر شود وزن خود را از دست می دهند و یک فاجعه با زمین قبل از اینکه روز به 1 ساعت و 25 دقیقه کوتاه شود، روی خواهد داد. به عبارت دیگر، سرعت بحرانی چرخش زمین تا حدودی کمتر و حداکثر طول روز کمی بیشتر خواهد بود. از نظر ذهنی تصور کنید که سرعت چرخش زمین به دلایل نامعلومی به حد بحرانی نزدیک شود. آن وقت برای ساکنان زمین چه خواهد شد؟ اول از همه، در همه جای زمین در روز، برای مثال، حدود دو تا سه ساعت خواهد بود. روز و شب به سرعت تغییر می کند. خورشید مانند یک افلاک نما بسیار سریع در آسمان حرکت می کند و به محض اینکه وقت بیدار شدن و شستشوی خود را داشته باشید در پشت افق ناپدید می شود و شب جایگزین آن می شود. مردم دیگر قادر نخواهند بود زمان را به دقت پیمایش کنند. هیچ کس نمی داند چه روزی از ماه است یا چه روزی از هفته است. زندگی عادی انسان بهم ریخته خواهد شد. ساعت آونگی کند می شود و سپس در همه جا متوقف می شود. آنها راه می روند زیرا جاذبه بر روی آنها اثر می گذارد. از این گذشته ، در زندگی روزمره ما ، هنگامی که "واکرها" شروع به عقب افتادن یا عجله می کنند ، لازم است آونگ خود را کوتاه یا طولانی کنیم یا حتی مقداری وزن اضافی را روی آونگ آویزان کنیم. اجسام در خط استوا وزن خود را از دست خواهند داد. در این شرایط خیالی، بلند کردن اجسام بسیار سنگین به راحتی امکان پذیر خواهد بود. گذاشتن یک اسب، یک فیل بر روی شانه های خود یا حتی بلند کردن یک خانه کامل دشوار نخواهد بود. پرندگان توانایی فرود آمدن را از دست خواهند داد. دسته ای از گنجشک ها در حال چرخش بر فراز تغار آب هستند. آنها با صدای بلند جیر جیر می کنند، اما نمی توانند پایین بیایند. یک مشت غله که توسط او پرتاب می‌شود در بالای زمین به صورت دانه‌های جداگانه آویزان می‌شود. اجازه دهید فرض کنیم که سرعت چرخش زمین به نقطه بحرانی نزدیک‌تر و نزدیک‌تر می‌شود. سیاره ما به شدت تغییر شکل یافته و ظاهری به طور فزاینده ای صاف به خود می گیرد. آن را به چرخ و فلک به سرعت در حال چرخش تشبیه می کنند و در آستانه دور انداختن ساکنانش است. پس از آن رودخانه ها جریان خود را متوقف می کنند. آنها باتلاق های طولانی مدت خواهند بود. کشتی های عظیم اقیانوس به سختی سطح آب را با کف خود لمس می کنند، زیردریایی ها نمی توانند به اعماق دریا شیرجه بزنند، ماهی ها و حیوانات دریایی روی سطح دریاها و اقیانوس ها شناور می شوند، آنها دیگر نمی توانند پنهان شوند. در اعماق دریا ملوانان دیگر نمی توانند لنگر بیندازند، دیگر سکان کشتی های خود را کنترل نخواهند کرد، کشتی های بزرگ و کوچک بی حرکت خواهند ایستاد. اینم یه عکس خیالی دیگه یک قطار راه آهن مسافربری در ایستگاه ایستاده است. سوت قبلا زده شده است. قطار باید حرکت کند راننده تمام اقدامات لازم را انجام داد. آتش نشان سخاوتمندانه زغال سنگ را به درون جعبه آتش می اندازد. جرقه های بزرگی از دودکش لوکوموتیو می پرد. چرخ ها ناامیدانه می چرخند. اما لوکوموتیو بی حرکت ایستاده است. چرخ های آن به ریل ها برخورد نمی کند و اصطکاک بین آنها وجود ندارد. زمانی خواهد آمد که مردم نخواهند توانست به زمین بروند. آنها مانند مگس به سقف خواهند چسبید. اجازه دهید سرعت چرخش زمین افزایش یابد. نیروی گریز از مرکز به طور فزاینده ای از نیروی گرانش در قدر خود فراتر می رود ... سپس مردم، حیوانات، وسایل خانه، خانه ها، همه اشیاء روی زمین، کل دنیای حیوانات آن به فضای کیهانی پرتاب خواهند شد. قاره استرالیا از زمین جدا خواهد شد و مانند یک ابر سیاه عظیم در فضا معلق خواهد بود. آفریقا به اعماق پرتگاه خاموش و دور از زمین پرواز خواهد کرد. آب های اقیانوس هند به تعداد زیادی قطرات کروی تبدیل می شوند و همچنین به فواصل بی حد و حصر پرواز می کنند. دریای مدیترانه که هنوز فرصت تبدیل شدن به انباشته های غول پیکر قطرات را ندارد، با تمام ضخامت آب خود از پایین جدا می شود و در امتداد آن می توان آزادانه از ناپل به الجزایر عبور کرد. در نهایت، سرعت چرخش آنقدر افزایش می‌یابد، نیروی گریز از مرکز آنقدر افزایش می‌یابد که کل زمین از هم می‌شکند. با این حال، این نیز نمی تواند اتفاق بیفتد. سرعت چرخش زمین، همانطور که در بالا گفتیم، افزایش نمی یابد، بلکه برعکس، حتی اندکی کاهش می یابد - با این حال، آنقدر کم است که، همانطور که قبلاً می دانیم، بیش از 50 هزار سال طول روز تنها یک بار افزایش می یابد. دومین. به عبارت دیگر، زمین اکنون با چنان سرعتی می‌چرخد که برای شکوفایی دنیای حیوانات و گیاهان سیاره ما در زیر پرتوهای انرژی‌بخش و حیات‌بخش خورشید برای هزاران سال ضروری است.

ارزش اصطکاک

حالا ببینیم چیه اصطکاک مهم استو اگر نبود چه اتفاقی می افتاد همانطور که می‌دانید اصطکاک روی لباس‌های ما تأثیر مضری دارد: اول آستین‌های کت‌ها فرسوده می‌شوند و ابتدا زیره‌ی کفش‌ها فرسوده می‌شوند، زیرا آستین‌ها و زیره‌ها بیشتر در معرض اصطکاک هستند. اما برای یک لحظه تصور کنید که سطح سیاره ما به خوبی صیقلی شده، کاملا صاف است و احتمال اصطکاک منتفی است. آیا می توانیم روی چنین سطحی راه برویم؟ البته که نه. همه می دانند که حتی روی کف های یخی و صیقلی هم راه رفتن بسیار سخت است و باید مراقب باشید که زمین نخورید. اما سطح یخ و کف صیقلی هنوز مقداری اصطکاک دارد.
نیروی اصطکاک روی یخ اگر نیروی اصطکاک روی سطح زمین ناپدید می شد، آنگاه هرج و مرج غیرقابل توصیف برای همیشه بر سیاره ما حاکم می شد. اگر اصطکاک وجود نداشته باشد، دریا برای همیشه خروشان خواهد کرد و طوفان هرگز فروکش نخواهد کرد. شن و ماسه ها از آویزان شدن بر روی زمین متوقف نمی شوند و باد دائما می وزد. صداهای ملودیک پیانو، ویولن و غرش وحشتناک حیوانات درنده در هم می آمیزند و بی انتها در هوا پخش می شوند. در غیاب اصطکاک، جسمی که شروع به حرکت می کند هرگز متوقف نمی شود. در یک سطح کاملاً صاف زمین، اجسام و اجسام مختلف برای همیشه در متنوع ترین جهات مخلوط می شوند. اگر اصطکاک و جاذبه زمین نبود، دنیای زمین مضحک و غم انگیز بود.

حتما شنیده اید که جاذبه یک نیرو نیست. و حقیقت دارد. با این حال، این حقیقت سؤالات بسیاری را بر جای می گذارد. مثلاً معمولاً می گوییم جاذبه اجسام را «کشش» می کند. در کلاس فیزیک به ما گفته شد که گرانش اجسام را به سمت مرکز زمین می کشد. ولی چطور این ممکن است؟ چگونه گرانش می تواند یک نیرو نباشد، اما همچنان اجسام را جذب کند؟

اولین چیزی که باید فهمید این است که اصطلاح صحیح "شتاب" است و نه "جاذبه". در واقع گرانش اجسام را به هیچ وجه جذب نمی کند، سیستم فضا-زمان (سیستمی که در آن زندگی می کنیم) تغییر شکل می دهد، اجسام امواجی را که در نتیجه تغییر شکل ایجاد می شوند دنبال می کنند و گاهی اوقات می توانند شتاب بگیرند.

به لطف آلبرت اینشتین و نظریه نسبیت او، می دانیم که فضا-زمان تحت تأثیر انرژی تغییر می کند. و مهمترین قسمت این معادله جرم است. انرژی جرم یک جسم باعث تغییر فضازمان می شود. جرم فضازمان را خم می کند و انرژی کانال را خم می کند. بنابراین، دقیق تر است که گرانش را نه به عنوان یک نیرو، بلکه به عنوان انحنای فضا-زمان در نظر بگیریم. همانطور که یک پوشش لاستیکی زیر توپ بولینگ خم می شود، فضا-زمان نیز توسط اجسام عظیم خم می شود.

همانطور که یک ماشین در امتداد جاده ای با پیچ ها و پیچ های مختلف حرکت می کند، اجسام نیز در امتداد منحنی ها و منحنی های مشابه در فضا و زمان حرکت می کنند. و درست همانطور که یک ماشین به سمت پایین تپه شتاب می گیرد، اجسام عظیم انحناهای شدیدی را در فضا و زمان ایجاد می کنند. گرانش قادر است اجسام را هنگامی که وارد چاه های گرانشی عمیق می شوند شتاب دهد. این مسیری که اجسام در فضازمان طی می کنند، «مسیر ژئودزیکی» نامیده می شود.

برای درک بهتر این که گرانش چگونه کار می کند و چگونه می تواند اجسام را شتاب دهد، موقعیت زمین و ماه را نسبت به یکدیگر در نظر بگیرید. زمین یک جرم نسبتاً عظیم است، حداقل در مقایسه با ماه، و سیاره ما باعث خمیدگی فضازمان می شود. ماه به دلیل انحرافات فضا و زمان ناشی از جرم سیاره به دور زمین می چرخد. بنابراین، ماه به سادگی در امتداد خمیدگی حاصل در فضا-زمان حرکت می کند که ما آن را مدار می نامیم. ماه هیچ نیرویی را احساس نمی کند که بر روی آن اثر بگذارد، فقط مسیر خاصی را دنبال می کند که بوجود آمده است.

گرانش قدرتمندترین نیروی کیهان، یکی از چهار اصل اساسی جهان است که ساختار آن را تعیین می کند. روزی روزگاری به لطف آن سیارات، ستارگان و کل کهکشان ها پدید آمدند. امروزه زمین را در سفر بی پایان خود به دور خورشید در مدار نگه می دارد.

جاذبه نیز برای زندگی روزمره افراد اهمیت زیادی دارد. به لطف این نیروی نامرئی، اقیانوس های جهان ما می تپد، رودخانه ها جاری می شوند و قطرات باران به زمین می ریزند. از دوران کودکی ما وزن بدن و اشیاء اطراف خود را احساس می کنیم. تأثیر گرانش بر فعالیت های اقتصادی ما نیز بسیار زیاد است.

اولین نظریه گرانش توسط اسحاق نیوتن در پایان قرن هفدهم ایجاد شد. قانون گرانش جهانی او این برهمکنش را در چارچوب مکانیک کلاسیک توصیف می کند. این پدیده توسط انیشتین در نظریه نسبیت عام خود که در آغاز قرن گذشته منتشر شد، به طور گسترده‌تری توصیف شد. فرآیندهایی که با نیروی گرانش در سطح ذرات بنیادی اتفاق می‌افتند را باید با نظریه کوانتومی گرانش توضیح داد، اما هنوز ایجاد نشده است.

ما امروزه در مورد ماهیت گرانش بسیار بیشتر از زمان نیوتن می دانیم، اما علیرغم قرن ها مطالعه، هنوز هم یک مانع واقعی برای فیزیک مدرن باقی مانده است. در نظریه موجود گرانش نقاط خالی زیادی وجود دارد و ما هنوز دقیقاً نمی دانیم که چه چیزی آن را ایجاد می کند و این تعامل چگونه منتقل می شود. و البته، ما با توانایی کنترل نیروی گرانش بسیار فاصله داریم، بنابراین ضد جاذبه یا شناور برای مدت طولانی فقط در صفحات رمان های علمی تخیلی وجود خواهد داشت.

چه چیزی بر سر نیوتن افتاد؟

مردم همیشه در مورد ماهیت نیرویی که اجسام را به زمین جذب می کند تعجب می کردند، اما تنها در قرن هفدهم بود که اسحاق نیوتن موفق شد پرده رمز و راز را از بین ببرد. اساس پیشرفت آن توسط آثار کپلر و گالیله، دانشمندان درخشانی که حرکات اجرام آسمانی را مطالعه کردند، قرار گرفت.

حتی یک قرن و نیم قبل از قانون گرانش جهانی نیوتن، ستاره شناس لهستانی کوپرنیک معتقد بود که جاذبه «... چیزی بیش از یک میل طبیعی نیست که پدر جهان به همه ذرات اعطا کرده است، یعنی متحد شدن در یک کل مشترک، تشکیل اجسام کروی." دکارت جاذبه را پیامد آشفتگی در جهان اتر می دانست. فیلسوف و دانشمند یونانی ارسطو مطمئن بود که جرم بر سرعت سقوط اجسام تأثیر می گذارد. و تنها گالیله گالیله در پایان قرن شانزدهم ثابت کرد که این درست نیست: اگر مقاومت هوا وجود نداشته باشد، همه اجرام به یک اندازه شتاب می گیرند.

برخلاف افسانه رایج سر و سیب، نیوتن بیش از بیست سال طول کشید تا ماهیت گرانش را درک کند. قانون گرانش او یکی از مهم ترین اکتشافات علمی تمام دوران است. جهانی است و به شما امکان می دهد مسیرهای اجرام آسمانی را محاسبه کنید و رفتار اجسام اطراف خود را به طور دقیق توصیف کنید. نظریه کلاسیک گرانش پایه های مکانیک سماوی را بنا نهاد. سه قانون نیوتن به دانشمندان این فرصت را داد تا سیارات جدید را به معنای واقعی کلمه "در نوک قلم خود" کشف کنند، در نهایت به لطف آنها، انسان توانست بر گرانش زمین غلبه کند و به فضا پرواز کند. آنها مبنای علمی دقیقی را برای مفهوم فلسفی وحدت مادی جهان به ارمغان آوردند، که در آن همه پدیده های طبیعی به هم پیوسته هستند و توسط قوانین فیزیکی کلی اداره می شوند.

نیوتن نه تنها فرمولی را منتشر کرد که به فرد اجازه می داد نیروی جذب اجسام را به یکدیگر محاسبه کند، بلکه یک مدل کامل ایجاد کرد که شامل تجزیه و تحلیل ریاضی نیز می شد. این نتایج نظری بارها در عمل تأیید شده است، از جمله با استفاده از مدرن ترین روش ها.

در نظریه نیوتنی، هر جسم مادی میدان جذابی ایجاد می کند که به آن گرانشی می گویند. علاوه بر این، نیرو با جرم هر دو جسم متناسب و با فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد:

F = (G m1 m2)/r2

G ثابت گرانشی است که برابر با 6.67 × 10-11 m³/(kg s²) است. هنری کاوندیش اولین کسی بود که آن را در سال 1798 محاسبه کرد.

در زندگی روزمره و در رشته های کاربردی، نیرویی که زمین با آن جسم را جذب می کند، وزن آن نامیده می شود. جاذبه بین هر دو جسم مادی در کیهان همان چیزی است که گرانش به زبان ساده است.

نیروی گرانش ضعیف‌ترین نیروی گرانش در بین چهار برهمکنش بنیادی فیزیک است، اما به دلیل ویژگی‌هایش می‌تواند حرکت منظومه‌های ستاره‌ای و کهکشان‌ها را تنظیم کند:

• جاذبه در هر فاصله ای کار می کند، این تفاوت اصلی بین گرانش و فعل و انفعالات هسته ای قوی و ضعیف است. با افزایش فاصله، اثر آن کاهش می‌یابد، اما هرگز مساوی صفر نمی‌شود، بنابراین می‌توان گفت که حتی دو اتم که در انتهای مختلف کهکشان قرار دارند تأثیر متقابل دارند. فقط خیلی کوچک است.
• جاذبه جهانی است. میدان جذب در هر جسم مادی ذاتی است. دانشمندان هنوز جسمی را در سیاره ما یا در فضا کشف نکرده اند که در این نوع تعامل شرکت نکند، بنابراین نقش گرانش در حیات کیهان بسیار زیاد است. این امر گرانش را از برهمکنش الکترومغناطیسی متمایز می کند که تأثیر آن بر فرآیندهای کیهانی حداقل است، زیرا در طبیعت بیشتر اجسام از نظر الکتریکی خنثی هستند. نیروهای گرانشی را نمی توان محدود یا محافظت کرد.
• گرانش نه تنها بر روی ماده، بلکه روی انرژی نیز اثر می گذارد. برای او، ترکیب شیمیایی اجسام مهم نیست.

با استفاده از فرمول نیوتن می توان نیروی جاذبه را به راحتی محاسبه کرد. به عنوان مثال، گرانش روی ماه چندین برابر کمتر از زمین است، زیرا ماهواره ما جرم نسبتا کمی دارد. اما کافی است که جزر و مدهای منظم در اقیانوس جهانی تشکیل شود. در زمین، شتاب ناشی از گرانش تقریباً 9.81 متر بر ثانیه است. علاوه بر این، در قطب ها کمی بزرگتر از استوا است.

قوانین نیوتن علیرغم اهمیت بسیار زیاد آنها برای توسعه بیشتر علم، دارای نقاط ضعف متعددی بود که محققان را به خود مشغول کرده بود. مشخص نبود که گرانش چگونه در فضای کاملاً خالی در فواصل وسیع و با سرعتی غیرقابل درک عمل می کند. علاوه بر این، به تدریج داده هایی که با قوانین نیوتن در تضاد بودند شروع به جمع آوری کردند: برای مثال، پارادوکس گرانشی یا جابجایی حضیض عطارد. آشکار شد که نظریه گرانش جهانی نیاز به بهبود دارد. این افتخار نصیب آلبرت انیشتین فیزیکدان برجسته آلمانی شد.

جاذبه و نظریه نسبیت

امتناع نیوتن از بحث در مورد ماهیت گرانش ("من هیچ فرضیه ای اختراع نمی کنم") ضعف آشکار مفهوم او بود. تعجب آور نیست که بسیاری از نظریه های گرانش در سال های بعد ظهور کردند.

بیشتر آنها متعلق به مدل های به اصطلاح هیدرودینامیکی بودند که سعی می کردند وقوع گرانش را با برهمکنش مکانیکی اجسام مادی با برخی مواد میانی دارای خواص معین اثبات کنند. محققان آن را به گونه‌ای دیگر نامیدند: «خلاء»، «اتر»، «جریان گراویتون» و غیره. در این مورد، نیروی جاذبه بین اجسام در نتیجه تغییرات این ماده، زمانی که توسط اجسام یا جریان‌های محافظ جذب می‌شد، به وجود آمد. در واقع، تمام این نظریه‌ها یک اشکال جدی داشتند: پیش‌بینی کاملاً دقیق وابستگی نیروی گرانشی به فاصله، باید منجر به کاهش سرعت اجسامی شود که نسبت به "اتر" یا "جریان گراویتون" حرکت می‌کنند.

اینشتین از زاویه ای متفاوت به این موضوع پرداخت. در نظریه نسبیت عام (GTR)، گرانش نه به عنوان برهمکنش نیروها، بلکه به عنوان ویژگی خود فضا-زمان در نظر گرفته می شود. هر جسمی که جرم داشته باشد باعث خم شدن آن می شود که باعث جذب می شود. در این حالت گرانش یک اثر هندسی است که در چارچوب هندسه نااقلیدسی در نظر گرفته می شود.

به بیان ساده، پیوستار فضا-زمان بر ماده تأثیر می گذارد و باعث حرکت آن می شود. و او به نوبه خود بر فضا تأثیر می گذارد و به آن می گوید که چگونه خم شود.

نیروهای جاذبه نیز در عالم خرد عمل می کنند، اما در سطح ذرات بنیادی تأثیر آنها، در مقایسه با برهمکنش الکترواستاتیک، ناچیز است. فیزیکدانان بر این باورند که برهمکنش گرانشی در اولین لحظات (10 تا 43 ثانیه) پس از انفجار بزرگ کمتر از دیگران نبود.

در حال حاضر، مفهوم گرانش ارائه شده در نظریه نسبیت عام، فرضیه کاری اصلی است که توسط اکثریت جامعه علمی پذیرفته شده و با نتایج آزمایش های متعدد تأیید شده است.

انیشتین در کار خود اثرات شگفت انگیز نیروهای گرانشی را پیش بینی کرد که اکثر آنها قبلاً تأیید شده اند. به عنوان مثال، توانایی اجسام عظیم در خم کردن پرتوهای نور و حتی کند کردن جریان زمان. پدیده اخیر باید در هنگام کار با سیستم های ناوبری ماهواره ای جهانی مانند GLONASS و GPS در نظر گرفته شود، در غیر این صورت پس از چند روز خطای آنها ده ها کیلومتر خواهد بود.

علاوه بر این، پیامد نظریه انیشتین، اثرات به اصطلاح ظریف گرانش است، مانند میدان مغناطیسی گرانشی و کشش چارچوب‌های مرجع اینرسی (همچنین به عنوان اثر لنز-تیرینگ نیز شناخته می‌شود). این تظاهرات گرانش آنقدر ضعیف هستند که برای مدت طولانی قابل تشخیص نیستند. تنها در سال 2005، به لطف ماموریت منحصر به فرد ناسا، کاوشگر گرانشی B، اثر لنز-تیرینگ تایید شد.

تابش گرانشی یا بنیادی ترین کشف سال های اخیر

امواج گرانشی ارتعاشات ساختار هندسی فضا-زمان هستند که با سرعت نور حرکت می کنند. وجود این پدیده توسط انیشتین در نسبیت عام نیز پیش بینی شده بود، اما به دلیل ضعف نیروی گرانش، قدر آن بسیار کم است، بنابراین برای مدت طولانی قابل تشخیص نبود. تنها شواهد غیرمستقیم وجود تشعشعات را تایید می‌کرد.

امواج مشابه توسط هر جسم مادی که با شتاب نامتقارن حرکت می کند ایجاد می شود. دانشمندان آنها را به عنوان "امواج در فضا-زمان" توصیف می کنند. قوی ترین منابع چنین تشعشعی، برخورد کهکشان ها و سیستم های در حال فروپاشی متشکل از دو جرم است. نمونه بارز مورد دوم، ادغام سیاهچاله ها یا ستاره های نوترونی است. در طول چنین فرآیندهایی، تابش گرانشی می تواند بیش از 50٪ از جرم کل سیستم را منتقل کند.

امواج گرانشی اولین بار در سال 2015 توسط دو رصدخانه LIGO کشف شد. تقریباً بلافاصله، این رویداد جایگاه بزرگترین کشف فیزیک در دهه های اخیر را دریافت کرد. او در سال 2017 جایزه نوبل را دریافت کرد. پس از این، دانشمندان موفق شدند چندین بار دیگر تشعشعات گرانشی را تشخیص دهند.

در دهه 70 قرن گذشته - بسیار قبل از تایید تجربی - دانشمندان پیشنهاد استفاده از تشعشعات گرانشی را برای ارتباطات از راه دور دادند. مزیت بدون شک آن توانایی بالای آن در عبور از هر ماده ای بدون جذب است. اما در حال حاضر این امر به سختی امکان پذیر است، زیرا مشکلات بسیار زیادی در تولید و دریافت این امواج وجود دارد. و ما هنوز دانش واقعی کافی در مورد ماهیت گرانش نداریم.

امروزه چندین تاسیسات مشابه LIGO در کشورهای مختلف دنیا در حال فعالیت هستند و تاسیسات جدیدی در حال ساخت هستند. این احتمال وجود دارد که در آینده نزدیک بیشتر در مورد تابش گرانشی بیاموزیم.

نظریه های جایگزین گرانش جهانی و دلایل ایجاد آنها

در حال حاضر، مفهوم غالب گرانش، نسبیت عام است. کل آرایه موجود از داده های تجربی و مشاهدات با آن سازگار است. در عین حال، دارای تعداد زیادی ضعف آشکار و مسائل بحث برانگیز است، بنابراین تلاش برای ایجاد مدل های جدید که ماهیت گرانش را توضیح می دهد متوقف نمی شود.

تمام نظریه های گرانش جهانی که تا به امروز توسعه یافته اند را می توان به چند گروه اصلی تقسیم کرد:

• استاندارد؛
• جایگزین؛
• کوانتومی
• نظریه میدان یکپارچه

تلاش برای ایجاد مفهوم جدیدی از گرانش جهانی در قرن نوزدهم انجام شد. نویسندگان مختلف، اتر یا نظریه جسمی نور را در آن گنجانده اند. اما ظهور نسبیت عام به این تحقیقات پایان داد. پس از انتشار آن، هدف دانشمندان تغییر کرد - اکنون تلاش آنها برای بهبود مدل انیشتین، از جمله پدیده های طبیعی جدید در آن بود: چرخش ذرات، انبساط جهان و غیره.

در اوایل دهه 1980، فیزیکدانان به طور تجربی همه مفاهیم را رد کردند، به جز مفاهیمی که نسبیت عام را به عنوان بخشی جدایی ناپذیر شامل می شد. در این زمان، "نظریه های ریسمان" به مد آمدند و بسیار امیدوار کننده به نظر می رسیدند. اما این فرضیه ها هرگز به صورت تجربی تایید نشده اند. در طول دهه های گذشته، علم به ارتفاعات قابل توجهی رسیده است و حجم عظیمی از داده های تجربی را جمع آوری کرده است. امروزه، تلاش ها برای ایجاد نظریه های جایگزین گرانش عمدتاً از تحقیقات کیهانی مرتبط با مفاهیمی مانند "ماده تاریک"، "تورم"، "انرژی تاریک" الهام گرفته شده است.

یکی از وظایف اصلی فیزیک مدرن متحد کردن دو جهت اساسی است: نظریه کوانتومی و نسبیت عام. دانشمندان در تلاشند تا جاذبه را با انواع دیگر فعل و انفعالات مرتبط کنند و بدین ترتیب یک «نظریه همه چیز» ایجاد کنند. این دقیقاً همان کاری است که گرانش کوانتومی انجام می دهد - شاخه ای از فیزیک که تلاش می کند توصیفی کوانتومی از برهم کنش های گرانشی ارائه دهد. شاخه ای از این جهت، نظریه گرانش حلقه است.

با وجود تلاش های فعال و چندین ساله، این هدف هنوز محقق نشده است. و حتی پیچیدگی این مشکل هم نیست: فقط نظریه کوانتومی و نسبیت عام بر پارادایم های کاملاً متفاوتی مبتنی هستند. مکانیک کوانتومی به سیستم های فیزیکی می پردازد که در پس زمینه فضا-زمان معمولی عمل می کنند. و در نظریه نسبیت، فضا-زمان خود یک جزء پویا است، بسته به پارامترهای سیستم های کلاسیک واقع در آن.

در کنار فرضیه های علمی گرانش جهانی، نظریه هایی نیز وجود دارد که با فیزیک مدرن بسیار فاصله دارند. متأسفانه، در سال‌های اخیر، چنین «اپوس‌هایی» به سادگی قفسه‌های اینترنت و کتابفروشی‌ها را پر کرده است. برخی از نویسندگان چنین آثاری عموماً به خواننده اطلاع می دهند که جاذبه وجود ندارد و قوانین نیوتن و انیشتین تخیلی و فریبنده هستند.

به عنوان مثال کارهای "دانشمند" نیکولای لواشوف است که ادعا می کند نیوتن قانون گرانش جهانی را کشف نکرده است و فقط سیارات و ماهواره ما ماه دارای نیروی گرانشی در منظومه شمسی هستند. این "دانشمند روسی" شواهد نسبتاً عجیبی ارائه می دهد. یکی از آنها پرواز کاوشگر آمریکایی NEAR Shoemaker به سیارک اروس است که در سال 2000 انجام شد. لواشوف فقدان جاذبه بین کاوشگر و جسم آسمانی را دلیلی بر نادرستی آثار نیوتن و توطئه فیزیکدانان می داند که حقیقت گرانش را از مردم پنهان می کنند.

در واقع، فضاپیما ماموریت خود را با موفقیت انجام داد: ابتدا وارد مدار سیارک شد و سپس فرود نرمی روی سطح آن انجام داد.

گرانش مصنوعی و چرایی نیاز به آن

دو مفهوم مرتبط با گرانش وجود دارد که علیرغم وضعیت نظری فعلی آنها، برای عموم مردم کاملاً شناخته شده است. اینها ضد جاذبه و گرانش مصنوعی هستند.

ضد جاذبه فرآیندی برای مقابله با نیروی جاذبه است که می تواند به میزان قابل توجهی آن را کاهش دهد یا حتی با دافعه جایگزین کند. تسلط بر چنین فناوری منجر به یک انقلاب واقعی در حمل و نقل، هوانوردی، اکتشاف فضا می شود و کل زندگی ما را به طور اساسی تغییر می دهد. اما در حال حاضر امکان ضد جاذبه حتی تایید نظری هم ندارد. علاوه بر این، بر اساس نسبیت عام، چنین پدیده ای به هیچ وجه امکان پذیر نیست، زیرا نمی تواند جرم منفی در جهان ما وجود داشته باشد. این امکان وجود دارد که در آینده با جاذبه بیشتر آشنا شویم و ساخت هواپیما بر اساس این اصل را بیاموزیم.

گرانش مصنوعی تغییری است که توسط انسان در نیروی گرانش موجود ایجاد شده است. امروز ما واقعاً به چنین فناوری نیاز نداریم، اما وضعیت قطعاً پس از شروع سفرهای فضایی طولانی مدت تغییر خواهد کرد. و نکته در فیزیولوژی ماست. بدن انسان که طی میلیون‌ها سال تکامل به گرانش ثابت زمین عادت کرده است، اثرات کاهش گرانش را بسیار منفی درک می‌کند. اقامت طولانی حتی در شرایط گرانش ماه (شش برابر ضعیف تر از زمین) می تواند منجر به عواقب ناگواری شود. توهم جاذبه را می توان با استفاده از نیروهای فیزیکی دیگر مانند اینرسی ایجاد کرد. با این حال، چنین گزینه هایی پیچیده و گران هستند. در حال حاضر، گرانش مصنوعی حتی توجیه نظری ندارد، بدیهی است که اجرای عملی احتمالی آن مربوط به آینده ای بسیار دور است.

جاذبه مفهومی است که از دوران مدرسه برای همه شناخته شده است. به نظر می رسد که دانشمندان باید این پدیده را به طور کامل بررسی می کردند! اما گرانش عمیق ترین راز برای علم مدرن باقی مانده است. و این را می توان نمونه ای عالی از محدود بودن دانش بشر در مورد دنیای عظیم و شگفت انگیز ما نامید.

اگر سوالی دارید، آنها را در نظرات زیر مقاله مطرح کنید. ما یا بازدیدکنندگان ما با خوشحالی به آنها پاسخ خواهیم داد

هر فردی در زندگی خود بیش از یک بار با این مفهوم روبرو شده است، زیرا گرانش نه تنها اساس فیزیک مدرن، بلکه همچنین تعدادی از علوم مرتبط دیگر است.

بسیاری از دانشمندان از زمان های قدیم بر روی جاذبه اجسام مطالعه می کردند، اما کشف اصلی به نیوتن نسبت داده می شود و به عنوان داستان معروف سقوط یک میوه بر روی سر توصیف می شود.

جاذبه در کلمات ساده چیست

جاذبه جاذبه بین چندین جرم در سراسر جهان است. ماهیت پدیده متفاوت است، زیرا با جرم هر یک از آنها و وسعت بین آنها، یعنی فاصله تعیین می شود.

نظریه نیوتن بر این واقعیت استوار بود که هم میوه در حال سقوط و هم ماهواره سیاره ما تحت تأثیر نیروی یکسانی قرار می گیرند - گرانش به سمت زمین. اما این ماهواره دقیقا به دلیل جرم و فاصله اش در فضای زمین سقوط نکرد.

میدان گرانش

میدان گرانشی فضایی است که در آن برهمکنش اجسام بر اساس قوانین جذب روی می دهد.

نظریه نسبیت انیشتین میدان را به عنوان خاصیت خاصی از زمان و مکان توصیف می کند که مشخصاً هنگام ظاهر شدن اجسام فیزیکی آشکار می شود.

موج جاذبه

اینها انواع خاصی از تغییرات میدانی هستند که در نتیجه تابش اجسام متحرک ایجاد می شوند. آنها از جسم جدا می شوند و در یک اثر موج پخش می شوند.

نظریه های گرانش

نظریه کلاسیک نیوتنی است. با این حال، ناقص بود و متعاقبا گزینه های جایگزین ظاهر شد.

این شامل:

• نظریه های متریک؛
• غیر متریک؛
• بردار
• لو سیج، که برای اولین بار مراحل را توصیف کرد.
• گرانش کوانتومی

امروزه چندین ده نظریه مختلف وجود دارد که همه آنها یا مکمل یکدیگر هستند یا از منظری متفاوت به پدیده ها نگاه می کنند.

شایان ذکر است:هنوز راه حل ایده آلی وجود ندارد، اما تحولات در حال انجام پاسخ های احتمالی بیشتری را در مورد جذابیت بدن ها باز می کند.

نیروی جاذبه گرانشی

محاسبه اساسی به شرح زیر است - نیروی گرانش متناسب با ضرب جرم بدن در دیگری است که بین آن تعیین می شود. این فرمول به این صورت بیان می شود: نیرو با فاصله بین اجسام مربع نسبت معکوس دارد.

میدان گرانشی پتانسیل است، یعنی انرژی جنبشی حفظ شده است. این واقعیت حل مسائلی را که در آنها نیروی جاذبه اندازه گیری می شود، ساده می کند.

جاذبه در فضا

با وجود تصور نادرست بسیاری، گرانش در فضا وجود دارد. پایین تر از زمین است، اما همچنان وجود دارد.

در مورد فضانوردانی که در نگاه اول به نظر می رسد در حال پرواز هستند، در واقع در یک حالت کاهش آهسته قرار دارند. از نظر بصری به نظر می رسد که هیچ چیز آنها را جذب نمی کند، اما در عمل جاذبه را تجربه می کنند.

قدرت جاذبه بستگی به فاصله دارد، اما مهم نیست که فاصله بین اجسام چقدر زیاد باشد، آنها همچنان به سمت یکدیگر جذب می شوند. جاذبه متقابل هرگز صفر نخواهد بود.

جاذبه در منظومه شمسی

در منظومه شمسی، نه تنها زمین دارای جاذبه است. سیارات و همچنین خورشید، اجرام را به سمت خود جذب می کنند.

از آنجایی که نیرو توسط جرم جسم تعیین می شود، خورشید بالاترین شاخص را دارد.به عنوان مثال، اگر سیاره ما یک نشانگر داشته باشد، نشانگر نور تقریباً بیست و هشت خواهد بود.

بعد از خورشید از نظر گرانش مشتری است، بنابراین نیروی گرانشی آن سه برابر بیشتر از زمین است. پلوتون کوچکترین پارامتر را دارد.

برای وضوح، بیایید این را مشخص کنیم: از نظر تئوری، در خورشید، وزن یک فرد متوسط ​​حدود دو تن است، اما در کوچکترین سیاره منظومه ما - فقط چهار کیلوگرم.

گرانش سیاره به چه چیزی بستگی دارد؟

همانطور که در بالا ذکر شد، کشش گرانشی، قدرتی است که سیاره با آن اجسام واقع در سطح خود را به سمت خود می کشد.

نیروی گرانش به گرانش جسم، خود سیاره و فاصله بین آنها بستگی دارد.اگر کیلومترها زیاد باشد، گرانش کم است، اما همچنان اجسام را متصل نگه می دارد.

چندین جنبه مهم و جذاب مربوط به جاذبه و خواص آن که ارزش توضیح دادن به کودک را دارد:

1. این پدیده همه چیز را جذب می کند، اما هرگز دفع نمی کند - این آن را از سایر پدیده های فیزیکی متمایز می کند.
2. چیزی به نام صفر وجود ندارد. شبیه سازی وضعیتی که در آن فشار اعمال نمی شود، یعنی گرانش کار نمی کند، غیرممکن است.
3. زمین با سرعت متوسط ​​11.2 کیلومتر در ثانیه سقوط می کند، با رسیدن به این سرعت، می توانید جاذبه سیاره را به خوبی ترک کنید.
4. وجود امواج گرانشی از نظر علمی ثابت نشده است، این فقط یک حدس است. اگر آنها زمانی قابل مشاهده شوند، بسیاری از اسرار کیهان مربوط به تعامل اجسام برای بشریت آشکار خواهد شد.

بر اساس نظریه نسبیت پایه دانشمندی مانند انیشتین، گرانش انحنای پارامترهای اساسی وجود جهان مادی است که نشان دهنده اساس کیهان است.

جاذبه جاذبه متقابل دو جسم است. قدرت برهمکنش به گرانش اجسام و فاصله بین آنها بستگی دارد. هنوز همه اسرار این پدیده فاش نشده است، اما امروزه ده ها نظریه برای توصیف مفهوم و ویژگی های آن وجود دارد.

پیچیدگی اشیاء مورد مطالعه بر زمان تحقیق تأثیر می گذارد. در بیشتر موارد، رابطه بین جرم و فاصله به سادگی گرفته می شود.