Siła grawitacji

Nie tylko najbardziej tajemnicze siły natury ale także najpotężniejszy.

Człowiek na drodze do postępu

Historycznie było to Człowiek jak idziesz naprzód ścieżki postępu opanował coraz potężniejsze siły natury. Zaczął, gdy nie miał nic poza kijem w pięści i własną siłą fizyczną.

Był jednak mądry i wniósł na służbę fizyczną siłę zwierząt, czyniąc je domowymi. Koń przyspieszył bieg, wielbłąd uczynił pustynię przejezdną, słoń bagienną dżunglą. Ale siły fizyczne nawet najsilniejszych zwierząt są niezmiernie małe w porównaniu z siłami natury.

Pierwsza osoba ujarzmiła żywioł ognia, ale tylko w jego najbardziej osłabionych wersjach. Początkowo – przez wiele stuleci – jako opał stosował wyłącznie drewno – bardzo niskoenergetyczny rodzaj opału. Nieco później nauczył się wykorzystywać energię wiatru z tego źródła energii, mężczyzna uniósł w powietrze białe skrzydło żagla - a lekki statek przeleciał nad falami jak ptak.

Żaglówka na falach

Wystawił ostrza wiatraka na podmuchy wiatru - a ciężkie kamienie wirowały na kamieniach młyńskich, grzechotały tłuczki kaszy. Ale dla wszystkich jest jasne, że energia strumieni powietrznych jest daleka od koncentracji. Ponadto zarówno żagiel, jak i wiatrak bały się podmuchów wiatru: burza zerwała żagle i zatopiła statki, burza złamała skrzydła i przewróciła młyny.

Jeszcze później człowiek zaczął podbijać płynącą wodę. Koło jest nie tylko najbardziej prymitywnym urządzeniem zdolnym do zamiany energii wody na ruch obrotowy, ale także najsłabszym w porównaniu z innymi.

Człowiek posuwał się naprzód po drabinie postępu i potrzebował coraz więcej energii.
Zaczął stosować nowe rodzaje opału – już przejście na spalanie węgla zwiększyło energochłonność kilograma paliwa z 2500 kcal do 7000 kcal – prawie trzykrotnie. Potem przyszedł czas na ropę i gaz. Ponownie, zawartość energetyczna każdego kilograma paliw kopalnych wzrosła od półtora do dwóch razy.

Silniki parowe zostały zastąpione turbinami parowymi; koła młyńskie zostały zastąpione turbinami hydraulicznymi. Wtedy mężczyzna wyciągnął rękę do rozszczepialnego atomu uranu. Jednak pierwsze użycie nowego rodzaju energii miało tragiczne konsekwencje – jądrowy płomień Hiroszimy w 1945 roku w ciągu kilku minut spalił 70 tysięcy ludzkich serc.

W 1954 r. uruchomiono pierwszą na świecie radziecką elektrownię jądrową, zamieniając moc uranu w moc promieniowania prądu elektrycznego. A trzeba zaznaczyć, że kilogram uranu zawiera dwa miliony razy więcej energii niż kilogram najlepszej ropy.

Był to całkowicie nowy ogień, który można by nazwać fizycznym, ponieważ to fizycy badali procesy prowadzące do narodzin tak bajecznych ilości energii.
Uran nie jest jedynym paliwem jądrowym. Używany jest już mocniejszy rodzaj paliwa - izotopy wodoru.

Niestety, człowiek nie był jeszcze w stanie ujarzmić jądrowego płomienia wodorowo-helowego. Wie, jak na chwilę zapalić swój wszechogarniający ogień, podpalając reakcję w bombie wodorowej z błyskiem wybuchu uranu. Ale coraz bliżej naukowcy widzą reaktor wodorowy, który będzie generował prąd elektryczny w wyniku fuzji jąder izotopów wodoru w jądra helu.

Ponownie, ilość energii, jaką człowiek może pobrać z każdego kilograma paliwa, wzrośnie prawie dziesięciokrotnie. Ale czy ten krok będzie ostatnim w nadchodzącej historii władzy człowieka nad siłami natury?

Nie! Naprzód - opanowanie grawitacyjnej formy energii. Naturalnie pakuje go nawet ostrożniej niż energia fuzji wodorowo-helowej. Dziś jest to najbardziej skoncentrowana forma energii, o której człowiek może się nawet domyślać.

Nic więcej nie jest tam jeszcze widoczne, poza najnowocześniejszą nauką. I choć śmiało możemy powiedzieć, że elektrownie będą pracować dla człowieka, przetwarzając energię grawitacyjną na prąd elektryczny (a może na strumień gazu wylatujący z dyszy silnika odrzutowego, albo na planowaną transformację wszechobecnych atomów krzemu i tlenu na atomy ultrarzadkich metali), nie możemy jeszcze nic powiedzieć o szczegółach takiej elektrowni (silnik rakietowy, reaktor fizyczny).

Siła powszechnej grawitacji u początków narodzin galaktyk

Siła powszechnej grawitacji tkwi u początków narodzin galaktyk z materii przedgwiezdnej, jak jest przekonany akademik V.A. Ambartsumyan. Wygasza również gwiazdy, które wypaliły swój czas, spędziwszy gwiezdne paliwo przydzielone im po urodzeniu.

Tak, rozejrzyj się: wszystko na Ziemi jest w dużej mierze kontrolowane przez tę siłę.

To ona określa warstwową strukturę naszej planety - przemianę litosfery, hydrosfery i atmosfery. To ona utrzymuje grubą warstwę gazów powietrznych, na dnie której i dzięki której wszyscy istniejemy.

Gdyby nie było grawitacji, Ziemia natychmiast wyrwałaby się ze swojej orbity wokół Słońca, a sam glob rozpadłby się, rozdarty przez siły odśrodkowe. Trudno znaleźć coś, co nie byłoby w takim czy innym stopniu zależne od siły powszechnego ciążenia.

Oczywiście starożytni filozofowie, ludzie bardzo spostrzegawczy, nie mogli nie zauważyć, że kamień rzucony w górę zawsze wraca. Platon w IV wieku pne wyjaśnił to faktem, że wszystkie substancje we Wszechświecie dążą do tego, gdzie koncentruje się większość podobnych substancji: rzucony kamień spada na ziemię lub opada na dno, rozlana woda przesącza się do najbliższego stawu lub do rzeki, która uchodzi do morza, dym z ognia wpada na pokrewne mu chmury.

Uczeń Platona, Arystoteles, wyjaśnił, że wszystkie ciała mają szczególne właściwości ciężkości i lekkości. Ciała ciężkie - kamienie, metale - pędzą do centrum wszechświata, światło - ogień, dym, opary - na obrzeża. Ta hipoteza, która wyjaśnia niektóre zjawiska związane z siłą powszechnej grawitacji, istnieje od ponad 2 tysięcy lat.

Naukowcy o sile grawitacji

Prawdopodobnie pierwszy podniósł kwestię siła grawitacji naprawdę naukowy, był geniusz renesansu - Leonardo da Vinci. Leonardo głosił, że grawitacja jest charakterystyczna nie tylko dla Ziemi, że istnieje wiele środków ciężkości. Zasugerował też, że siła grawitacji zależy od odległości od środka ciężkości.

Prace Kopernika, Galileusza, Keplera, Roberta Hooke'a coraz bardziej zbliżały do ​​idei prawa powszechnego ciążenia, ale w ostatecznym sformułowaniu prawo to na zawsze kojarzy się z imieniem Izaaka Newtona.

Isaac Newton o sile grawitacji

Urodzony 4 stycznia 1643 r. Ukończył Uniwersytet w Cambridge, został licencjatem, a następnie - magistrem nauk ścisłych.

Izaak Newton

Wszystko, co następuje, to nieskończone bogactwo prac naukowych. Ale jego głównym dziełem są „Matematyczne zasady filozofii naturalnej”, opublikowane w 1687 roku i zwykle nazywane po prostu „Początkami”. To w nich formułuje się wielkie. Chyba wszyscy pamiętają go z liceum.

Wszystkie ciała przyciągają się z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu mas tych ciał i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi ...

Niektóre zapisy tego sformułowania można było przewidzieć przez poprzedników Newtona, ale nie zostało ono jeszcze nikomu podane w całości. Potrzebny był geniusz Newtona, aby poskładać te fragmenty w jedną całość, aby rozprzestrzenić przyciąganie Ziemi do Księżyca, a Słońca do całego układu planetarnego.

Z prawa powszechnego ciążenia Newton wyprowadził wszystkie prawa ruchu planet, odkryte wcześniej przez Keplera. Były to po prostu jego konsekwencje. Co więcej, Newton wykazał, że nie tylko prawa Keplera, ale i odstępstwa od tych praw (w świecie trzech lub więcej ciał) są wynikiem powszechnej grawitacji… To był wielki triumf nauki.

Wydawało się, że główna siła natury, która porusza światy, została wreszcie odkryta i opisana matematycznie, siła, której podlegają molekuły powietrza, jabłka i Słońce. Gigantyczny, niezmiernie ogromny był krok Newtona.

Pierwszy popularyzator twórczości genialnego naukowca, francuski pisarz Francois Marie Arouet, znany na całym świecie pod pseudonimem Voltaire, powiedział, że Newton, gdy spojrzał na spadające jabłko, nagle odgadł istnienie prawa nazwanego jego imieniem.

Sam Newton nigdy nie wspomniał o tym jabłku. I nie warto dzisiaj tracić czasu na obalanie tej pięknej legendy. I najwyraźniej Newton doszedł do zrozumienia wielkiej siły natury poprzez logiczne rozumowanie. Prawdopodobnie znalazł się w odpowiednim rozdziale „Początków”.

Siła grawitacji wpływa na lot jądra

Załóżmy, że na bardzo wysokiej górze, tak wysokiej, że jej szczyt jest już poza atmosferą, zainstalowaliśmy gigantyczny dział artyleryjski. Jego lufa została ustawiona ściśle równolegle do powierzchni kuli i wystrzelona. Opisywanie łuku rdzeń spada na ziemię.

Zwiększamy ładunek, poprawiamy jakość prochu, w taki czy inny sposób sprawiamy, że rdzeń porusza się z większą prędkością po kolejnym strzale. Łuk opisany przez rdzeń staje się bardziej płaski. Rdzeń spada znacznie dalej od podnóża naszej góry.

Zwiększamy również szarżę i strzelamy. Jądro leci po tak łagodnej trajektorii, że opada równolegle do powierzchni kuli ziemskiej. Rdzeń nie może już spaść na Ziemię: z taką samą prędkością, z jaką spada, Ziemia wymyka się spod niego. A po opisaniu pierścienia wokół naszej planety rdzeń powraca do punktu wyjścia.

Pistolet można w międzyczasie wyjąć. Przecież lot jądra dookoła globu zajmie ponad godzinę. A potem rdzeń szybko przeleci nad szczytem góry i zatoczy nowy krąg wokół Ziemi. Upadek, jeśli tak jak ustaliliśmy, rdzeń nie napotka żadnego oporu powietrza, to nigdy nie będzie.

Prędkość rdzenia w tym przypadku powinna być bliska 8 km/s. A jeśli zwiększysz prędkość lotu rdzenia? Najpierw pofrunie po łuku, łagodniejszym niż krzywizna powierzchni Ziemi, i zacznie się od niej oddalać. Jednocześnie zmniejszy się jego prędkość pod wpływem ziemskiej grawitacji.

I wreszcie, obracając się, zacznie jakby opadać z powrotem na Ziemię, ale przeleci obok niej i nie zatoczy już koła, ale elipsę. Jądro będzie poruszało się wokół Ziemi dokładnie w taki sam sposób, w jaki Ziemia porusza się wokół Słońca, czyli po elipsie, w jednym z ognisk, w których będzie znajdował się środek naszej planety.

Jeśli jeszcze bardziej zwiększymy początkową prędkość jądra, elipsa okaże się bardziej rozciągnięta. Możliwe jest rozciągnięcie tej elipsy w taki sposób, że jądro osiągnie orbitę Księżyca lub nawet znacznie dalej. Ale dopóki prędkość początkowa tego jądra nie przekroczy 11,2 km/s, pozostanie satelitą Ziemi.

Jądro, które po wystrzeleniu uzyskało prędkość ponad 11,2 km/s, na zawsze odleci z Ziemi po trajektorii parabolicznej. Jeśli elipsa jest krzywą zamkniętą, to parabola jest krzywą, która ma dwie gałęzie idące w nieskończoność. Poruszając się po elipsie, bez względu na to, jak bardzo by ona była wydłużona, nieuchronnie będziemy systematycznie powracać do punktu wyjścia. Poruszając się po paraboli nigdy nie wrócimy do punktu wyjścia.

Ale opuszczając Ziemię z taką prędkością, jądro nie będzie jeszcze w stanie lecieć w nieskończoność. Potężna grawitacja Słońca nagina trajektorię swojego lotu, zamykając się wokół siebie jak trajektoria planety. Rdzeń stanie się siostrą Ziemi, maleńką planetą w naszej własnej rodzinie planet.

Aby skierować jądro poza układ planetarny, aby przezwyciężyć przyciąganie słoneczne, należy podać mu prędkość ponad 16,7 km/s i skierować tak, aby do tej prędkości dodać prędkość własnego ruchu Ziemi .

Prędkość około 8 km/s (prędkość ta zależy od wysokości góry, z której strzela nasza broń) nazywana jest prędkością kołową, prędkości od 8 do 11,2 km/s są eliptyczne, od 11,2 do 16,7 km/s są paraboliczne, a powyżej tej liczby - wyzwalające prędkości.

W tym miejscu należy dodać, że podane wartości tych prędkości obowiązują tylko dla Ziemi. Gdybyśmy mieszkali na Marsie, prędkość kołowa byłaby nam znacznie łatwiejsza do osiągnięcia – tam jest tylko około 3,6 km/s, a prędkość paraboliczna to tylko nieco ponad 5 km/s.

Z drugiej strony dużo trudniej byłoby wysłać jądro w lot kosmiczny z Jowisza niż z Ziemi: prędkość kołowa na tej planecie wynosi 42,2 km/s, a prędkość paraboliczna to nawet 61,8 km/s!

Najtrudniej byłoby mieszkańcom Słońca opuścić swój świat (o ile oczywiście taki mógłby istnieć). Prędkość kołowa tego giganta powinna wynosić 437,6, a prędkość separacji - 618,8 km / s!

Tak więc Newton pod koniec XVII wieku, sto lat przed pierwszym lotem balonu na ogrzane powietrze napełnionego ciepłym powietrzem przez braci Montgolfier, dwieście lat przed pierwszymi lotami samolotu braci Wright i prawie ćwierć Tysiąc lat przed startem pierwszych rakiet na ciecz, wskazał drogę do nieba dla satelitów i statków kosmicznych.

Siła grawitacji tkwi w każdej sferze

Przez prawo grawitacji odkryto nieznane planety, powstały kosmogoniczne hipotezy dotyczące powstania Układu Słonecznego. Główna siła natury, która kontroluje gwiazdy, planety, jabłka w ogrodzie i cząsteczki gazu w atmosferze, została odkryta i opisana matematycznie.

Ale nie znamy mechanizmu powszechnej grawitacji. Grawitacja newtonowska nie wyjaśnia, ale wizualnie przedstawia obecny stan ruchu planet.

Nie wiemy, co powoduje wzajemne oddziaływanie wszystkich ciał Wszechświata. I nie można powiedzieć, że Newton nie był tym zainteresowany. Przez wiele lat zastanawiał się nad jej możliwym mechanizmem.

Nawiasem mówiąc, jest to rzeczywiście niezwykle tajemnicza moc. Siła, która manifestuje się przez setki milionów kilometrów przestrzeni, na pierwszy rzut oka pozbawiona jakichkolwiek formacji materialnych, za pomocą której można by wyjaśnić przeniesienie oddziaływania.

Hipotezy Newtona

ORAZ niuton uciekał się do hipoteza o istnieniu pewnego eteru, który rzekomo wypełnia cały Wszechświat. W 1675 r. wyjaśnił przyciąganie do Ziemi tym, że wypełniający cały Wszechświat eter pędzi do środka Ziemi ciągłymi strumieniami, wychwytując wszystkie obiekty w tym ruchu i tworząc siłę grawitacyjną. Ten sam strumień eteru pędzi do Słońca i wlokąc planety, komety, zapewnia ich eliptyczne trajektorie...

Nie była to zbyt przekonująca, choć absolutnie matematycznie logiczna hipoteza. Ale teraz, w 1679, Newton stworzył nową hipotezę wyjaśniającą mechanizm grawitacji. Tym razem nadaje eterowi właściwość różnej koncentracji w pobliżu planet i daleko od nich. Im dalej od środka planety, tym rzekomo gęstszy eter. I ma właściwość wyciskania wszystkich ciał materialnych z ich gęstszych warstw w mniej gęste. I wszystkie ciała są wyciskane na powierzchnię Ziemi.

W 1706 Newton ostro zaprzecza istnieniu eteru. W 1717 powraca ponownie do hipotezy wyciskania eteru.

Pomysłowy mózg Newtona walczył o rozwiązanie wielkiej tajemnicy i go nie znalazł. To wyjaśnia tak ostre rzucanie z boku na bok. Newton zwykł mawiać:

Nie stawiam hipotez.

I chociaż, jak tylko udało nam się zweryfikować, nie jest to do końca prawda, możemy z całą pewnością stwierdzić coś innego: Newton był w stanie wyraźnie odróżnić rzeczy niepodważalne od niestabilnych i kontrowersyjnych hipotez. A w elementach jest formuła wielkiego prawa, ale nie ma próby wyjaśnienia jego mechanizmu.
Wielki fizyk przekazał tę zagadkę człowiekowi przyszłości. Zmarł w 1727 roku.
Do dziś nie zostało to rozwiązane.

Dyskusja o fizycznej istocie prawa Newtona trwała dwa stulecia. I być może ta dyskusja nie dotyczyłaby samej istoty prawa, gdyby odpowiedział dokładnie na wszystkie postawione mu pytania.

Ale faktem jest, że z czasem okazało się, że to prawo nie jest uniwersalne. Że zdarzają się przypadki, kiedy nie potrafi wyjaśnić tego czy innego zjawiska. Podajmy przykłady.

Siła grawitacji w obliczeniach Seeligera

Pierwszym z nich jest paradoks Seeligera. Uważając Wszechświat za nieskończony i jednolicie wypełniony materią, Seeliger próbował obliczyć, zgodnie z prawem Newtona, uniwersalną siłę grawitacyjną wytworzoną przez całą nieskończenie dużą masę nieskończonego Wszechświata w niektórych jego punktach.

Nie było to łatwe zadanie z punktu widzenia czystej matematyki. Po pokonaniu wszystkich trudności najbardziej złożonych transformacji Seeliger odkrył, że pożądana siła powszechnego ciążenia jest proporcjonalna do promienia Wszechświata. A ponieważ ten promień jest równy nieskończoności, siła grawitacji musi być nieskończenie duża. W praktyce jednak tego nie widzimy. Oznacza to, że prawo powszechnego ciążenia nie dotyczy całego wszechświata.

Możliwe są jednak również inne wyjaśnienia paradoksu. Na przykład możemy założyć, że materia nie wypełnia równomiernie całego Wszechświata, ale jej gęstość stopniowo maleje i wreszcie gdzieś bardzo daleko nie ma w ogóle materii. Ale wyobrażenie sobie takiego obrazu oznacza przyznanie możliwości istnienia przestrzeni bez materii, co jest generalnie absurdalne.

Możemy założyć, że siła grawitacji słabnie szybciej niż rośnie kwadrat odległości. Ale to poddaje w wątpliwość zaskakującą harmonię prawa Newtona. Nie, a to wyjaśnienie nie zadowoliło naukowców. Paradoks pozostał paradoksem.

Obserwacje ruchu Merkurego

Inny fakt, działanie siły powszechnego ciążenia, niewyjaśnione przez prawo Newtona, spowodowało obserwacja ruchu Merkurego- najbliżej planety. Precyzyjne obliczenia zgodnie z prawem Newtona wykazały, że perehelium – punkt elipsy, wzdłuż którego Merkury porusza się najbliżej Słońca – powinien przemieścić się o 531 sekund kątowych w ciągu 100 lat.

Astronomowie odkryli, że przesunięcie to wynosi 573 sekundy kątowe. Tego nadmiaru - 42 sekundy kątowe - również nie mogli wyjaśnić naukowcy, posługując się jedynie wzorami wynikającymi z prawa Newtona.

Wyjaśnił zarówno paradoks Seeligera, jak i przesunięcie perhelium Merkurego, a także wiele innych paradoksalnych zjawisk i niewytłumaczalnych faktów Alberta Einsteina, jeden z największych, jeśli nie największy fizyk wszechczasów. Wśród irytujących drobiazgów było pytanie o eteryczny wiatr.

Eksperymenty Alberta Michelsona

Wydawało się, że to pytanie nie dotyczy bezpośrednio problemu grawitacji. Odnosił się do optyki, do światła. Dokładniej, do definicji jego prędkości.

Duński astronom jako pierwszy określił prędkość światła. Olaf Remer obserwując zaćmienie księżyców Jowisza. Stało się to już w 1675 roku.

amerykański fizyk Albert Michelson pod koniec XVIII w. za pomocą zaprojektowanego przez siebie aparatu przeprowadził szereg oznaczeń prędkości światła w warunkach ziemskich.

W 1927 r. podał prędkość światła 299796 + 4 km/s, co jak na tamte czasy było doskonałą dokładnością. Ale istota sprawy jest inna. W 1880 roku postanowił zbadać eteryczny wiatr. Chciał ostatecznie ustalić istnienie tego samego eteru, za pomocą którego starali się wyjaśnić zarówno transmisję oddziaływania grawitacyjnego, jak i transmisję fal świetlnych.

Michelson był prawdopodobnie najbardziej niezwykłym eksperymentatorem swoich czasów. Miał doskonały sprzęt. I był prawie pewien sukcesu.

Esencja doświadczenia

Doświadczenie został pomyślany w ten sposób. Ziemia porusza się po swojej orbicie z prędkością około 30 km/s.. Porusza się w powietrzu. Oznacza to, że prędkość światła ze źródła znajdującego się przed odbiornikiem w stosunku do ruchu Ziemi musi być większa niż ze źródła znajdującego się po drugiej stronie. W pierwszym przypadku prędkość wiatru eterycznego należy dodać do prędkości światła, w drugim prędkość światła musi się zmniejszyć o tę wartość.