אז, תנועת כוכבי לכת, למשל, הירח סביב כדור הארץ או כדור הארץ סביב השמש, היא אותה נפילה, אבל רק נפילה שנמשכת זמן רב לאין שיעור (לפחות אם נתעלם מהמעבר של אנרגיה ל"לא צורות -מכניות).
ההשערה בדבר אחדות הסיבות השולטות בתנועת כוכבי הלכת ונפילת גופים ארציים הובעה על ידי מדענים הרבה לפני ניוטון. ככל הנראה, הפילוסוף היווני אנקסגורס, יליד אסיה הקטנה, שחי באתונה לפני כמעט אלפיים שנה, היה הראשון שהביע רעיון זה בבירור. הוא אמר שהירח, אם לא יזוז, ייפול לכדור הארץ.
עם זאת, להשערה המבריקה של אנקסגורס, ככל הנראה, לא הייתה השפעה מעשית על התפתחות המדע. היא נועדה להיות לא מובנת על ידי בני דורה ולהישכח על ידי צאצאיה. הוגים עתיקים וימי הביניים, שתנועת כוכבי הלכת משכה את תשומת לבם, היו רחוקים מאוד מהפרשנות הנכונה (ולעתים קרובות יותר מכל פרשנות) של הגורמים לתנועה זו. אחרי הכל, אפילו קפלר הגדול, שהצליח במחיר של עבודה ענקית לנסח את החוקים המתמטיים המדויקים של תנועה פלנטרית, האמין שהגורם לתנועה זו הוא סיבוב השמש.
לפי רעיונותיו של קפלר, השמש, מסתובבת, גוררת את כוכבי הלכת לסיבוב בדחיפות קבועות. נכון, לא היה ברור מדוע זמן המהפכה של כוכבי הלכת סביב השמש שונה מתקופת המהפכה של השמש סביב הציר שלה. קפלר כתב על כך: "אם לכוכבי הלכת לא היו התנגדויות טבעיות, אז לא ניתן היה לציין סיבות מדוע הם לא צריכים לעקוב בדיוק אחר סיבוב השמש. אבל למרות שבמציאות כל כוכבי הלכת נעים באותו כיוון של סיבוב השמש, מהירות התנועה שלהם אינה זהה. העובדה היא שהם מערבבים בפרופורציות מסוימות את האינרטיות של המסה שלהם עם מהירות התנועה שלהם.
קפלר לא הצליח להבין שצירוף המקרים של כיווני התנועה של כוכבי הלכת סביב השמש עם כיוון סיבוב השמש סביב ציריה אינו קשור לחוקי התנועה הפלנטרית, אלא למקור מערכת השמש שלנו. ניתן לשגר כוכב לכת מלאכותי הן לכיוון סיבוב השמש והן כנגד סיבוב זה.
קרוב הרבה יותר מקפלר הגיע לגילוי חוק המשיכה של גופים, רוברט הוק. להלן דבריו המקוריים מתוך עבודה שכותרתה ניסיון לחקור את תנועת כדור הארץ, שפורסמה ב-1674: "אני אפתח תיאוריה שתואמת בכל היבט את הכללים המקובלים של המכניקה. תיאוריה זו מבוססת על שלוש הנחות: ראשית, שלכל גרמי השמים, ללא יוצא מן הכלל, יש כיוון או כוח משיכה המכוונים למרכזם, שבגללם הם מושכים לא רק את חלקיהם שלהם, אלא גם את כל הגופים השמימיים הנמצאים במרחב הפעולה שלהם. . לפי ההנחה השנייה, כל הגופים הנעים בצורה ישרה ואחידה ינועו בקו ישר עד שיוסטו בכוח כלשהו ויתחילו לתאר מסלולים במעגל, אליפסה או בעקומה אחרת פחות פשוטה. לפי ההנחה השלישית, כוחות המשיכה פועלים יותר, ככל שהגופים עליהם הם פועלים קרובים יותר. עדיין לא הצלחתי לברר מניסיון מהן דרגות המשיכה השונות. אבל אם הרעיון הזה יפותח עוד יותר, אז אסטרונומים יוכלו לקבוע את החוק שלפיו כל גרמי השמים נעים.
ואכן, אפשר רק להתפלא שהוק עצמו לא רצה לפתח את הרעיונות האלה, בהתייחסו להיות עסוק בעבודות אחרות. אבל הופיע מדען שעשה פריצת דרך בתחום זה
ההיסטוריה של גילוי חוק הכבידה האוניברסלית של ניוטון ידועה היטב. לראשונה, הרעיון שאופי הכוחות הגורמים ליפול אבן וקובעים את תנועת גרמי השמיים הוא אחד ויחיד עלה אפילו אצל ניוטון התלמיד, שהחישובים הראשונים לא נתנו תוצאות נכונות, שכן הנתונים הזמינים באותו זמן לגבי המרחק מכדור הארץ לירח היו לא מדויקים, ש-16 שנים מאוחר יותר, מידע חדש מתוקן על המרחק הזה הופיע. כדי להסביר את חוקי התנועה הפלנטרית, ניוטון יישם את חוקי הדינמיקה שיצר ואת חוק הכבידה האוניברסלית שהוא קבע.
כחוק הדינמיקה הראשון, הוא כינה את עקרון האינרציה הגלילי, כולל אותו במערכת החוקים-הנחות הבסיסיות של התיאוריה שלו.
במקביל, ניוטון נאלץ לבטל את הטעות של גלילאו, שהאמין שתנועה אחידה במעגל היא תנועה על ידי אינרציה. ניוטון ציין (וזה החוק השני של הדינמיקה) שהדרך היחידה לשנות את תנועת הגוף - הערך או הכיוון של המהירות - היא לפעול עליו בכוח כלשהו. במקרה זה, התאוצה שבה גוף נע תחת פעולת כוח עומדת ביחס הפוך למסת הגוף.
על פי חוק הדינמיקה השלישי של ניוטון, "לכל פעולה יש תגובה שווה והפוכה".
תוך יישום עקבי של העקרונות - חוקי הדינמיקה, הוא חישב תחילה את התאוצה הצנטריפטלית של הירח כשהוא נע במסלול סביב כדור הארץ, ולאחר מכן הצליח להראות שהיחס בין תאוצה זו להאצת הנפילה החופשית של גופים בקרבת כדור הארץ. פני השטח שווה ליחס בין ריבועי הרדיוסים של כדור הארץ ומסלול הירח. מכאן הסיק ניוטון שטבעו של כוח הכבידה והכוח השומר על הירח במסלול זהה. במילים אחרות, לפי מסקנותיו, כדור הארץ והירח נמשכים זה לזה בכוח פרופורציונלי הפוך לריבוע המרחק בין מרכזים Fg ≈ 1∕r2.
ניוטון הצליח להראות שההסבר היחיד לעצמאות האצת הנפילה החופשית של גופים מהמסה שלהם הוא המידתיות של כוח הכבידה למסה.
לסיכום הממצאים כתב ניוטון: "אין ספק שטבע הכבידה על כוכבי לכת אחרים זהה לזה של כדור הארץ. למעשה, הבה נדמיין שהגופים הארציים מועלים למסלול הירח ונשלחים יחד עם הירח, גם הם נטולי כל תנועה, ליפול אל כדור הארץ. על בסיס מה שכבר הוכח (הכוונה לניסויים של גלילאו), אין ספק שבמקביל הם יעברו את אותו חלל כמו הירח, כי המסות שלהם קשורות למסה של הירח באותו זמן. כמו המשקולות שלהם למשקל שלה. אז ניוטון גילה ואז ניסח את חוק הכבידה האוניברסלית, שהוא בצדק רכושו של המדע.
2. תכונות כוחות הכבידה.
אחת התכונות המדהימות ביותר של כוחות הכבידה האוניברסלית, או כפי שהם מכונים לעתים קרובות, כוחות הכבידה, משתקפת כבר בעצם השם שנתן ניוטון: אוניברסלי. כוחות אלו, כביכול, הם "האוניברסליים ביותר" בין כל כוחות הטבע. כל מה שיש לו מסה - ומסה היא אינהרנטית בכל צורה, בכל סוג של חומר - חייב לחוות השפעות כבידה. אפילו האור אינו יוצא מן הכלל. אם נדמיין את כוחות הכבידה בעזרת חוטים הנמתחים מגוף אחד למשנהו, אז מספר אינספור של חוטים כאלה אמור לחדור לחלל בכל מקום. יחד עם זאת, לא מן המקום לציין שאי אפשר לשבור חוט כזה, לגדר מכוחות הכבידה. אין מחסומים לכבידה אוניברסלית, רדיוס הפעולה שלהם אינו מוגבל (r = ∞). כוחות כבידה הם כוחות ארוכי טווח. זהו "השם הרשמי" של הכוחות הללו בפיזיקה. בשל פעולה ארוכת טווח, כוח הכבידה קושר את כל גופי היקום.
האיטיות היחסית של ירידת הכוחות עם המרחק בכל צעד מתבטאת בתנאים הארציים שלנו: אחרי הכל, כל הגופים אינם משנים את משקלם, עוברים מגובה אחד למשנהו (או ליתר דיוק, הם משתנים, אבל מעט מאוד), בדיוק בגלל שעם שינוי קטן יחסית במרחק - במקרה זה ממרכז כדור הארץ - כוחות הכבידה כמעט אינם משתנים.
אגב, מסיבה זו התגלה "בשמיים" חוק מדידת כוחות כבידה עם מרחק. כל הנתונים הדרושים נלקחו מהאסטרונומיה. עם זאת, אין לחשוב שלא ניתן לזהות את הירידה בכוח הכבידה עם הגובה בתנאים יבשתיים. כך, למשל, שעון מטוטלת עם תקופת תנודה של שנייה אחת יפגר כמעט שלוש שניות ביום אם הוא יורם מהמרתף לקומה העליונה של אוניברסיטת מוסקבה (200 מטר) - וזה רק בגלל ירידה בכוח המשיכה.
הגבהים שבהם נעים לוויינים מלאכותיים כבר דומים לרדיוס כדור הארץ, כך שכדי לחשב את מסלולם, התחשבות בשינוי כוח הכבידה עם המרחק הוא הכרחי לחלוטין.
לכוחות הכבידה יש עוד תכונה מאוד מעניינת ויוצאת דופן, עליו נדון כעת.
במשך מאות שנים, מדע ימי הביניים קיבל כדוגמה בלתי מעורערת את האמירה של אריסטו לפיה הגוף נופל מהר יותר, כך משקלו גדול יותר. אפילו הניסיון היומיומי מאשר זאת: אחרי הכל, ידוע שחתיכת מוך נופלת לאט יותר מאבן. עם זאת, כפי שגלילאו הצליח להראות בפעם הראשונה, כל העניין כאן הוא שהתנגדות האוויר, שנכנסת לתמונה, מעוותת באופן קיצוני את התמונה שהייתה אם רק כוח הכבידה הארצי יפעל על כל הגופים. ישנו ניסוי ברור להפליא עם מה שנקרא צינור ניוטון, מה שמקל מאוד להעריך את תפקיד התנגדות האוויר. להלן תיאור קצר של החוויה הזו. דמיינו לעצמכם צינור זכוכית רגיל (כדי שתוכלו לראות מה נעשה בפנים) שבתוכו מניחים חפצים שונים: כדורים, פיסות שעם, נוצות או מוך וכו'. אם הופכים את הצינור כדי שכל זה יכול ליפול, אז הגלולה תהבהב במהירות המהירה ביותר, ואחריה חתיכות של שעם, ולבסוף, המוך ייפול בצורה חלקה. אבל בואו ננסה לעקוב אחר נפילת אותם עצמים כאשר אוויר נשאב החוצה מהצינור. פלאף, לאחר שאיבד את האיטיות הקודמת שלו, ממהר, עומד בקצב של הכדור והפקק. המשמעות היא שתנועתו התעכבה על ידי התנגדות אוויר, שהשפיעה על תנועת הפקק במידה פחותה ואף פחות על תנועת הכדור. כתוצאה מכך, אלמלא התנגדות האוויר, אם רק כוחות הכבידה האוניברסליים היו פועלים על הגופים - במקרה מסוים, כוח המשיכה של כדור הארץ - אז כל הגופים היו נופלים בדיוק באותו אופן, ומאיצים באותו קצב.
אבל "שום דבר חדש תחת השמש". לפני אלפיים שנה כתב לוקרטיוס קארוס בשירו המפורסם "על טבע הדברים":
כל מה שנופל באוויר נדיר,
נפילה מהירה יותר צריכה להיות בהתאם למשקל שלה
רק בגלל שמים או אוויר הם מהות עדינה
לא מסוגל לשים מכשולים לאותם דברים,
אבל נחות יותר מאלה עם חומרה גבוהה יותר.
להיפך, היא אף פעם לא מסוגלת לשום מקום
דבר לעצור את הריקנות ולהיות סוג של תמיכה,
מתוקף טבעו הוא כל הזמן נכנע לכל.
לכן, הכל, ממהר דרך הריק ללא מכשולים, חייב
מהירות שווה שיש, למרות ההבדל במשקל.
כמובן, המילים הנפלאות הללו היו ניחוש מצוין. כדי להפוך השערה זו לחוק מבוסס, נדרשו ניסויים רבים, החל מהניסויים המפורסמים של גלילאו, שחקר נפילת כדורים באותו גודל אך עשויים מחומרים שונים (שיש, עץ, עופרת וכו') מ. המגדל הנטוי המפורסם של פיזה, וכלה במדידות המודרניות המורכבות ביותר של השפעת כוח הכבידה על האור. וכל המגוון הזה של נתוני ניסוי מחזק אותנו בהתמדה באמונה שכוחות הכבידה מקנים את אותה האצה לכל הגופים; בפרט, תאוצת הנפילה החופשית הנגרמת על ידי כוח הכבידה זהה עבור כל הגופים ואינה תלויה בהרכב, במבנה או במסה של הגופים עצמם.
החוק הפשוט לכאורה הזה מבטא, אולי, את התכונה המדהימה ביותר של כוחות הכבידה. אין ממש כוחות אחרים שיאיצו באותה מידה את כל הגופים, ללא קשר למסה שלהם.
אז אפשר לדחוס את המאפיין הזה של כוחות הכבידה האוניברסליים לאמירה קצרה אחת: כוח הכבידה פרופורציונלי למסת הגופים. נדגיש שכאן אנו מדברים על אותה מסה, אשר בחוקי ניוטון פועלת כמדד לאינרציה. זה אפילו נקרא מסה אינרציאלית.
ארבע המילים "כוח הכבידה פרופורציונלי למסה" מכילות משמעות עמוקה באופן מפתיע. גופים גדולים וקטנים, חמים וקרים, בעלי ההרכב הכימי המגוון ביותר, מכל מבנה - כולם חווים את אותה אינטראקציה כבידה אם המסות שלהם שוות.
או שאולי החוק הזה באמת פשוט? הרי גלילאו, למשל, חשב שזה כמעט מובן מאליו. הנה הנימוק שלו. תן לשני גופים במשקל שונה ליפול. לפי אריסטו, גוף כבד חייב ליפול מהר יותר גם בוואקום. עכשיו בואו נחבר את הגופים. ואז, מצד אחד, הגופים חייבים ליפול מהר יותר, מכיוון שהמשקל הכולל גדל. אבל, מצד שני, תוספת של חלק נופל איטי יותר לגוף כבד אמורה להאט את הגוף הזה. ישנה סתירה, שניתן לבטלה רק אם נניח שכל הגופים בהשפעת כוח המשיכה בלבד נופלים באותה תאוצה. נראה שהכל מסודר! עם זאת, בואו נחשוב שוב על הדיון לעיל. היא מבוססת על שיטת הוכחה נפוצה "בסתירה": בהנחה שגוף כבד יותר נופל מהר יותר מקל יותר, הגענו לסתירה. ומלכתחילה הייתה הנחה שתאוצת הנפילה החופשית נקבעת לפי משקל ורק לפי משקל. (באופן קפדני, לא לפי משקל, אלא לפי מסה).
אבל זה בשום אופן לא ברור מראש (כלומר, לפני הניסוי). אבל מה אם התאוצה הזו נקבעה לפי נפח הגופים? או טמפרטורה? תארו לעצמכם שיש מטען כבידה, דומה לזה החשמלי, וכמו האחרון, אינו קשור ישירות למסה כלל. ההשוואה למטען חשמלי מאוד שימושית. הנה שני חלקיקי אבק בין הלוחות הטעונים של קבל. תנו לחלקיקי האבק הללו להיות מטענים שווים, והמסות קשורות ל-1 עד 2. אז התאוצות צריכות להיות שונות בפקטור של שניים: הכוחות שנקבעו על ידי המטענים שווים, ועם כוחות שווים, גוף בעל מסה כפולה מאיץ פי שתיים. עם זאת, אם חלקיקי האבק מחוברים, אז, ברור שלהאצה תהיה ערך ביניים חדש. שום גישה ספקולטיבית ללא מחקר ניסיוני של כוחות חשמליים לא יכולה לתת כאן משהו. זהה היה בדיוק התמונה אם מטען הכבידה לא היה קשור למסה. וכדי לענות על השאלה האם יש קשר כזה, רק הניסיון יכול. ועכשיו אנחנו מבינים שהניסויים הם שהוכיחו את אותה תאוצה עקב כוח הכבידה עבור כל הגופים שהראו, בעצם, שמטען הכבידה (כבידה או מסה כבדה) שווה למסה האינרציאלית.
ניסיון ורק ניסיון יכולים לשמש גם כבסיס לחוקים פיזיקליים וגם כקריטריון לתקפותם. הבה נזכיר, למשל, את הניסויים שוברי השיאים שבוצעו בהדרכתו של V.B. Braginsky באוניברסיטת מוסקבה. ניסויים אלה, שבהם הושג דיוק בסדר גודל של 10-12, אישרו שוב את השוויון של מסה כבדה ואינרציאלית.
על ניסיון, על מבחן רחב של הטבע - מהקנה המידה הצנוע של מעבדה קטנה של מדען ועד לקנה המידה הקוסמי הגרנדיוזי - מבוסס חוק הכבידה האוניברסלית, אשר (לסיכום כל מה שנאמר לעיל) קורא:
כוח המשיכה ההדדית של כל שני גופים, שמידותיהם קטנות בהרבה מהמרחק ביניהם, הוא פרופורציונלי למכפלת המסות של הגופים הללו וביחס הפוך לריבוע המרחק בין הגופים הללו.
מקדם המידתיות נקרא קבוע הכבידה. אם נמדוד את האורך במטרים, זמן בשניות ומסה בקילוגרמים, הגרביטציוני תמיד יהיה שווה ל-6.673 * 10-11, והממד שלו יהיה m3 / kg * s2 או N * m2 / kg2, בהתאמה.
G=6.673*10-11 N*m2/kg2
3. גלי כבידה.
חוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון אינו אומר דבר על זמן ההעברה של אינטראקציה כבידתית. ההנחה היא באופן מרומז שזה מיידי, לא משנה כמה גדולים המרחקים בין הגופים המקיימים אינטראקציה. השקפה כזו אופיינית בדרך כלל לתומכי פעולה מרחוק. אבל מ"תורת היחסות" המיוחדת של איינשטיין עולה שכוח המשיכה מועבר מגוף אחד למשנהו באותה מהירות כמו אות האור. אם גוף זז ממקומו, אז עקמומיות המרחב והזמן הנגרמת ממנו אינה משתנה באופן מיידי. בהתחלה זה ישפיע בסביבה הקרובה של הגוף, לאחר מכן השינוי יתפוס אזורים מרוחקים יותר ויותר, ולבסוף, תיווצר חלוקה חדשה של עקמומיות ברחבי החלל, המתאימה למיקום המשתנה של הגוף. .
וכאן הגענו לבעיה שגרמה ועודנה גורמת למספר הרב ביותר של מחלוקות וחילוקי דעות - בעיית קרינת הכבידה.
האם כוח הכבידה יכול להתקיים אם אין מסה שיוצרת אותו? לפי החוק הניוטוני, בהחלט לא. אין טעם לשאול שאלה כזו. עם זאת, לאחר שהסכמנו שאותות כבידה משודרים, אמנם במהירות גבוהה מאוד, אך עדיין לא אינסופית, הכל משתנה באופן קיצוני. ואכן, דמיינו שבתחילה המסה המייצרת כוח הכבידה, כמו כדור, הייתה במנוחה. כל הגופים סביב הכדור יושפעו מהכוחות הניוטוניים הרגילים. ועכשיו במהירות רבה נוציא את הכדור ממקומו המקורי. בהתחלה, הגופים שמסביב לא ירגישו זאת. אחרי הכל, כוחות הכבידה אינם משתנים באופן מיידי. לוקח זמן עד ששינויים בעקמומיות החלל מתפשטים לכל הכיוונים. זה אומר שלמשך זמן מה הגופים שמסביב יחוו את אותה השפעת הכדור, כאשר הכדור עצמו כבר לא שם (בכל מקרה, באותו מקום).
מסתבר שהעקמומיות של החלל מקבלת עצמאות מסוימת, שאפשר לשלוף את הגוף מאזור החלל שבו היא גרמה לעקמומיות, ובאופן שהעקמומיות הללו עצמן, לפחות במרחקים גדולים, יישארו ויתפתחו לפי החוקים הפנימיים שלהם. הנה כבידה ללא מסה משיכה! אתה יכול ללכת רחוק יותר. אם אתה גורם לכדור להתנודד, אז, כפי שמתברר מהתיאוריה של איינשטיין, מונחת מעין אדווה על התמונה הניוטונית של כוח הכבידה - גלי כבידה. כדי לדמיין טוב יותר את הגלים האלה, אתה צריך להשתמש במודל - סרט גומי. אם אתה לא רק לוחץ על הסרט הזה עם האצבע שלך, אלא בו-זמנית עושה איתו תנועות תנודות, אז הרעידות האלה יתחילו להיות מועברות לאורך הסרט המתוח לכל הכיוונים. זהו האנלוג של גלי כבידה. ככל שמתרחקים מהמקור, כך גלים כאלה חלשים יותר.
ועכשיו בשלב מסוים נפסיק ללחוץ על הסרט. הגלים לא ייעלמו. הם יתקיימו גם בפני עצמם, יתפשטו עוד ועוד לאורך הסרט, ויגרמו לעיוות גיאומטריה בדרכם.
בדיוק באותו אופן, גלים של עקמומיות החלל - גלי כבידה - יכולים להתקיים באופן עצמאי. חוקרים רבים מסיקים את המסקנה הזו מהתיאוריה של איינשטיין.
כמובן, כל ההשפעות הללו חלשות מאוד. כך, למשל, האנרגיה המשתחררת במהלך הבעירה של גפרור אחד גדולה פי כמה מהאנרגיה של גלי כבידה הנפלטים על ידי כל מערכת השמש שלנו באותו זמן. אבל מה שחשוב כאן הוא לא הצד הכמותי, אלא הצד העקרוני של העניין.
תומכי גלי הכבידה - ונראה שהם ברובם כעת - חוזים גם תופעה מדהימה נוספת; הפיכת כוח המשיכה לחלקיקים כמו אלקטרונים ופוזיטרונים (הם חייבים להיוולד בזוגות), פרוטונים, אנטיטרונים וכו' (איווננקו, ווילר ואחרים).
זה צריך להיראות משהו כזה. גל כבידה הגיע לאזור מסוים בחלל. ברגע מסוים, הכבידה הזו פוחתת בחדות, בפתאומיות, ובאותו זמן, נניח, מופיע זוג אלקטרונים-פוזיטרון באותו מקום. ניתן לתאר אותו הדבר כירידה פתאומית בעקמומיות החלל עם לידת זוג בו זמנית.
ישנם ניסיונות רבים לתרגם זאת לשפה מכאנית קוונטית. חלקיקים - גרביטונים מוכנסים בחשבון, אשר מושווים לתמונה הלא קוונטית של גל כבידה. בספרות הפיזיקלית המונח "התמרה של גרביטונים לחלקיקים אחרים" נמצא במחזור, והתמרות אלו - טרנספורמציות הדדיות - אפשריות בין גרביטונים ובאופן עקרוני לכל חלקיק אחר. אחרי הכל, אין חלקיקים שאינם רגישים לכוח המשיכה.
למרות ששינויים כאלה אינם סבירים, כלומר, הם מתרחשים לעתים רחוקות ביותר, בקנה מידה קוסמי הם יכולים להתברר כבסיסיים.
4. עקמומיות של מרחב-זמן על ידי כוח הכבידה,
"המשל של אדינגטון".
המשל של הפיזיקאי האנגלי אדינגטון מהספר "מרחב, זמן וכוח משיכה" (מספר חוזר):
"באוקיאנוס שיש לו רק שני ממדים, חי פעם זן של דגים שטוחים. נצפה שהדגים שחו בדרך כלל בקווים ישרים עד שהם נתקלו במכשולים ברורים בדרכם. התנהגות זו נראתה די טבעית. אבל היה אזור מסתורי באוקיינוס; כשהדגים נפלו לתוכו, הם נראו מכושפים; חלקם הפליגו באזור זה אך שינו כיוון, אחרים הקיפו את האזור בלי סוף. דג אחד (כמעט דקארט) הציע את תורת המערבולות; היא אמרה שבאזור הזה יש מערבולות שגורמות לכל מה שנופל בהן להסתחרר. במרוצת הזמן הוצעה תיאוריה הרבה יותר מושלמת (התיאוריה של ניוטון); נאמר שכל הדגים נמשכים לדג גדול מאוד - דג שמש מנמנם באמצע האזור - וזה הסביר את סטיית דרכם. בהתחלה התיאוריה הזו נראתה, אולי, קצת מוזרה; אבל זה אושר בדיוק מדהים במגוון רחב של תצפיות. כל הדגים נמצאו בעלי תכונה אטרקטיבית זו ביחס לגודלם; חוק המשיכה (בדומה לחוק הכבידה האוניברסלית) היה פשוט ביותר, אך למרות זאת, הוא הסביר את כל התנועות בדיוק שמעולם לא הושג קודם לכן על ידי דיוק המחקר המדעי. נכון, כמה דגים, רוטן, הכריזו שהם לא מבינים איך פעולה כזו מרחוק אפשרית; אבל כולם הסכימו שהפעולה הזו הופצה על ידי האוקיינוס, ושזה יהיה קל יותר להבין כאשר טבע המים יובן טוב יותר. אז כמעט כל דג שרצה להסביר את כוח המשיכה התחיל בהנחת מנגנון כלשהו שבאמצעותו הוא מתפשט במים.
אבל היה דג שהסתכל על דברים אחרת. היא הסבה את תשומת הלב לעובדה שהדגים הגדולים והקטנים נעו תמיד באותם השבילים, אם כי אולי נראה שנדרש הרבה כוח כדי לסלק את הדג הגדול מדרכו. (דג השמש העניק תאוצות שוות לכל הגופים.) לכן, במקום כוחות, היא החלה ללמוד בפירוט את נתיבי התנועה של דגים וכך הגיעה לפתרון מדהים לבעיה. היה מקום מוגבה בעולם שבו שכב דג השמש. הדגים לא יכלו לראות זאת ישירות מכיוון שהם היו דו מימדיים; אך כאשר הדג בתנועתו נפל במדרון הגובה הזה, אז למרות שניסה לשחות בקו ישר, הוא הסתובב בעל כורחו מעט הצידה. זה היה סוד המשיכה המסתורית או העקמומיות של השבילים שהתרחשו באזור המסתורי. »
המשל הזה מראה כיצד העקמומיות של העולם שבו אנו חיים יכולה לתת אשליה של כוח הכבידה, ואנו רואים שהשפעה כמו כוח הכבידה היא הדרך היחידה שבה עקמומיות כזו יכולה להתבטא.
בקצרה, ניתן לנסח זאת באופן הבא. מכיוון שכוח הכבידה מעקם את הנתיבים של כל הגופים באותו אופן, אנו יכולים לחשוב על כוח הכבידה כעל עקמומיות של מרחב-זמן.
5. כוח המשיכה על כדור הארץ.
אם אתה חושב על התפקיד שכוח המשיכה ממלא בחיי הפלנטה שלנו, אז אוקיינוסים שלמים נפתחים. ולא רק אוקיינוסים של תופעות, אלא גם אוקיינוסים במובן המילולי של המילה. אוקיינוסים של מים. אוקיינוס אוויר. ללא כוח המשיכה, הם לא היו קיימים.
גל בים, תנועת כל טיפת מים בנהרות המזינים את הים הזה, כל הזרמים, כל הרוחות, העננים, כל האקלים של הפלנטה נקבעים על ידי משחקם של שני גורמים עיקריים: פעילות השמש וכוח המשיכה הארצי. .
כוח הכבידה לא רק שומר על אנשים, בעלי חיים, מים ואוויר על כדור הארץ, אלא גם דוחס אותם. דחיסה זו על פני כדור הארץ אינה כה גדולה, אך תפקידה חשוב.
הספינה שטה על הים. מה שמונע ממנו לטבוע ידוע לכל. זהו כוח הציפה המפורסם של ארכימדס. אבל זה מופיע רק בגלל שהמים נדחסים על ידי כוח הכבידה בכוח שגדל עם העומק. אין כוח ציפה בתוך החללית בטיסה, כמו שאין משקל. הגלובוס עצמו נדחס על ידי כוחות כבידה ללחצים עצומים. במרכז כדור הארץ נראה שהלחץ עולה על 3 מיליון אטמוספרות.
בהשפעת כוחות לחץ ארוכי טווח בתנאים אלו, כל החומרים שאנו רגילים לראות בהם מוצקים מתנהגים כמו זפת או שרף. חומרים כבדים שוקעים לתחתית (אם אפשר לקרוא כך למרכז כדור הארץ), וקלים צפים. תהליך זה נחלב כבר מיליארדי שנים. זה לא הסתיים, כדלקמן מהתיאוריה של שמידט, אפילו עכשיו. ריכוז היסודות הכבדים במרכז כדור הארץ עולה אט אט.
ובכן, כיצד מתבטאת המשיכה של השמש וגוף השמימי הקרוב ביותר של הירח על פני כדור הארץ? רק תושבי חופי האוקיינוס יכולים לצפות באטרקציה הזו ללא מכשירים מיוחדים.
השמש פועלת כמעט באותו אופן על כל מה שנמצא על כדור הארץ ובתוכו. הכוח שבו השמש מושכת אדם בצהריים, כאשר הוא הכי קרוב לשמש, זהה כמעט לכוח הפועל עליו בחצות. אחרי הכל, המרחק מכדור הארץ לשמש גדול פי עשרת אלפים מקוטר כדור הארץ, והגדלה של המרחק בעשרת אלפים כאשר כדור הארץ מסתובב סביב צירו בחצי סיבוב כמעט אינה משנה את הכוח של מְשִׁיכָה. לכן, השמש מעניקה תאוצות כמעט זהות לכל חלקי כדור הארץ ולכל הגופים שעל פני השטח שלה. כמעט, אבל עדיין לא בדיוק אותו הדבר. בגלל ההבדל הזה, יש גאות ושפל בים.
בחלק של פני כדור הארץ הפונה לשמש, כוח המשיכה גדול במקצת מהנדרש לתנועת חלק זה במסלול אליפטי, ובצד הנגדי של כדור הארץ הוא מעט פחות. כתוצאה מכך, על פי חוקי המכניקה הניוטונית, המים באוקיינוס בולטים מעט בכיוון הפונים לשמש, ובצד הנגדי נסוגים מפני השטח של כדור הארץ. כפי שאומרים, כוחות גאות ושפל מתעוררים, מותחים את הגלובוס ומעניקים, באופן גס, לפני השטח של האוקיינוסים צורה של אליפסואיד.
ככל שהמרחק בין הגופים המקיימים אינטראקציה קטן יותר, כך גדלים הכוחות היוצרים גאות. לכן צורת האוקיינוסים בעולם מושפעת יותר מהירח מאשר מהשמש. ליתר דיוק, פעולת הגאות והשפל נקבעת לפי היחס בין מסת הגוף לקוביית המרחק שלו מכדור הארץ; היחס הזה לירח הוא בערך פי שניים מזה של השמש.
אם לא הייתה הידבקות בין חלקי הגלובוס, אזי כוחות הגאות והשפל היו קורעים אותו לגזרים.
אולי זה קרה לאחד מהלוויינים של שבתאי כשהתקרב לכוכב הלכת הגדול הזה. הטבעת המקוטעת ההופכת את שבתאי לכוכב הלכת מדהים כל כך עשויה להיות פסולת הירח.
אז פני השטח של האוקיינוסים הם כמו אליפסואיד, שצירו העיקרי מופנה לעבר הירח. כדור הארץ מסתובב סביב צירו. לכן, גל גאות נע לאורך פני האוקיינוס לכיוון סיבוב כדור הארץ. כשהיא מתקרבת לחוף, הגאות מתחילה. במקומות מסוימים מפלס המים עולה ל-18 מטרים. ואז גל הגאות עוזב והגאות מתחילה לרדת. מפלס המים באוקיינוס משתנה, בממוצע, בפרק זמן של 12 שעות. 25 דקות (חצי יום ירח).
התמונה הפשוטה הזו מעוותת מאוד על ידי פעולת הגאות הבו-זמנית של השמש, חיכוך המים, ההתנגדות של היבשות, המורכבות של התצורה של חופי האוקיינוס והקרקעית באזורי החוף, וכמה השפעות מיוחדות אחרות.
חשוב שגל הגאות יאט את סיבוב כדור הארץ.
עם זאת, ההשפעה קטנה מאוד. בעוד 100 שנים, היום גדל באלפית השנייה. אבל, פועלים במשך מיליארדי שנים, כוחות הבלימה יובילו לעובדה שכדור הארץ יפנה לירח כל הזמן בצד אחד, ויום כדור הארץ ישתווה לחודש הירח. זה כבר קרה ללונה. הירח מואט עד כדי כך שהוא מופנה לכדור הארץ כל הזמן בצד אחד. כדי "להסתכל" על הצד הרחוק של הירח, היה צורך לשלוח חללית סביבו.
אייזק ניוטון הציע שבין כל גופים בטבע ישנם כוחות של משיכה הדדית. כוחות אלו נקראים כוחות הכבידהאוֹ כוחות הכבידה. כוח הכבידה הבלתי ניתן לדיכוי מתבטא בחלל, במערכת השמש ובכדור הארץ.
חוק הכבידה
ניוטון הכליל את חוקי התנועה של גרמי שמיים וגילה שהכוח \ (F \) שווה ל:
\[ F = G \dfrac(m_1 m_2)(R^2) \]
כאשר \(m_1 \) ו-\(m_2 \) הם מסות הגופים המקיימים אינטראקציה, \(R \) הוא המרחק ביניהם, \(G \) הוא מקדם המידתיות, הנקרא קבוע כבידה. הערך המספרי של קבוע הכבידה נקבע בניסוי על ידי קוונדיש, שמודד את כוח האינטראקציה בין כדורי עופרת.
המשמעות הפיזיקלית של קבוע הכבידה נובעת מחוק הכבידה האוניברסלית. אם \(m_1 = m_2 = 1 \text(kg) \), \(R = 1 \text(m) \) , ואז \(G = F \) , כלומר קבוע הכבידה שווה לכוח שבו נמשכים שני גופים של 1 ק"ג במרחק של 1 מ'.
ערך מספרי:
\(G = 6.67 \cdot() 10^(-11) N \cdot() m^2/ kg^2 \) .
כוחות הכבידה האוניברסליים פועלים בין כל גופים בטבע, אך הם הופכים למוחשיים במסות גדולות (או אם לפחות המסה של אחד הגופים גדולה). חוק הכבידה האוניברסלית מתקיים רק עבור נקודות וכדורים חומריים (במקרה זה, המרחק בין מרכזי הכדורים נלקח כמרחק).
כוח משיכה
סוג מיוחד של כוח כבידה אוניברסלי הוא כוח המשיכה של גופים לכדור הארץ (או לכוכב אחר). הכוח הזה נקרא כוח משיכה. תחת פעולת כוח זה, כל הגופים רוכשים האצת נפילה חופשית.
לפי החוק השני של ניוטון \(g = F_T /m \) , לכן \(F_T = mg \) .
אם M היא המסה של כדור הארץ, R הוא הרדיוס שלו, m היא המסה של הגוף הנתון, אז כוח הכבידה שווה ל
\(F = G \dfrac(M)(R^2)m = mg \) .
כוח הכבידה מופנה תמיד למרכז כדור הארץ. בהתאם לגובה \ (h \) מעל פני כדור הארץ ולקו הרוחב הגיאוגרפי של מיקום הגוף, תאוצת הנפילה החופשית מקבלת ערכים שונים. על פני כדור הארץ ובקווי הרוחב האמצעיים, תאוצת הנפילה החופשית היא 9.831 m/s 2 .
משקל גוף
בטכנולוגיה ובחיי היומיום נעשה שימוש נרחב במושג משקל הגוף.
משקל גוףמסומן על ידי \(P \) . יחידת המשקל היא ניוטון (N). מכיוון שהמשקל שווה לכוח שבו הגוף פועל על התמיכה, אזי בהתאם לחוק השלישי של ניוטון, משקל הגוף שווה בגודלו לכוח התגובה של התמיכה. לכן, כדי למצוא את משקל הגוף, יש צורך לקבוע למה שווה כוח התגובה של התמיכה.
ההנחה היא שהגוף חסר תנועה ביחס לתמיכה או המתלה.
משקל הגוף וכוח המשיכה שונים באופיים: משקל הגוף הוא ביטוי לפעולת כוחות בין-מולקולריים, ולכוח הכבידה יש אופי כבידה.
נקרא המצב של גוף שבו משקלו אפס חוסר משקל. מצב חוסר המשקל נצפה במטוס או בחללית כאשר הם נעים עם האצה של נפילה חופשית, ללא קשר לכיוון וערך מהירות תנועתם. מחוץ לאטמוספירה של כדור הארץ, כאשר מנועי הסילון כבויים, רק כוח הכבידה האוניברסלי פועל על החללית. בפעולת הכוח הזה, החללית וכל הגופים בה נעים באותה תאוצה, ולכן מצב חוסר המשקל נצפה בספינה.
Javascript מושבת בדפדפן שלך.יש להפעיל פקדי ActiveX כדי לבצע חישובים!
ניוטון היה הראשון שקבע שנפילת אבן על כדור הארץ, תנועת כוכבי הלכת סביב השמש, תנועת הירח סביב כדור הארץ נגרמת מכוח או אינטראקציה כבידה.
אינטראקציה בין גופים ממרחק מתבצעת באמצעות שדה הכבידה שנוצר על ידם. הודות למספר עובדות ניסיוניות, הצליח ניוטון לבסס את התלות של כוח המשיכה בין שני גופים במרחק ביניהם. חוק ניוטון, הנקרא חוק המשיכה האוניברסלית, קובע שכל שני גופים נמשכים זה לזה בכוח פרופורציונלי למכפלת המסות שלהם ובפרופורציה הפוך לריבוע המרחק ביניהם. החוק נקרא אוניברסלי או אוניברסלי, מכיוון שהוא מתאר את האינטראקציה הכבידתית בין זוג של גופים כלשהם ביקום שיש להם מסה. הכוחות הללו חלשים מאוד, אך אין להם מחסומים.
החוק במונחים מילוליים הוא:
כוח משיכה
הגלובוס מדווח על אותה תאוצה g = 9.8m/s2 לכל הגופים הנופלים לכדור הארץ, מה שנקרא תאוצת הנפילה החופשית. וזה אומר שכדור הארץ פועל, מושך, את כל הגופים עם כוח שנקרא כוח משיכה. זהו סוג מיוחד של כוחות כבידה אוניברסליים. כוח הכבידה הוא 
, תלוי במסת הגוף m, נמדד בקילוגרמים (ק"ג). הערך g = 9.8m/s2 נלקח כקירוב; בקווי רוחב שונים ובקוי אורך שונים, ערכו משתנה מעט בשל העובדה ש:
- רדיוס כדור הארץ משתנה מהקוטב לקו המשווה (מה שמוביל לירידה בערך g בקו המשווה ב-0.18%);
- האפקט הצנטריפוגלי שנגרם מסיבוב תלוי בקו הרוחב הגיאוגרפי (מפחית את הערך ב-0.34%).
חוסר משקל
נניח שגוף נופל תחת השפעת כוח הכבידה. כוחות אחרים לא פועלים עליו. תנועה זו נקראת נפילה חופשית. בפרק הזמן שבו רק Fstrand פועל על הגוף, הגוף יהיה בחוסר משקל. בנפילה חופשית, משקלו של אדם נעלם.
משקל הוא הכוח שבו גוף מותח מתלה או פועל על משענת אופקית.
את מצב חוסר המשקל חווה צנחן בזמן קפיצה, אדם בזמן קפיצת סקי, נוסע במטוס נופל לתוך חור אוויר. אנחנו מרגישים חוסר משקל רק לזמן קצר מאוד, רק כמה שניות. אבל אסטרונאוטים בחללית שטסה במסלול כשהמנועים כבויים חווים חוסר משקל במשך זמן רב. החללית נמצאת במצב של נפילה חופשית, והגופות מפסיקות לפעול על התמיכה או המתלה - הן בחוסר משקל.
לווייני אדמה מלאכותיים
אפשר להתגבר על כוח המשיכה של כדור הארץ אם לגוף יש מהירות מסוימת. באמצעות חוק הכבידה, ניתן לקבוע את המהירות שבה גוף בעל מסה m, המסתובב במסלול מעגלי סביב כוכב הלכת, לא ייפול עליו ויהיה הלוויין שלו. שקול את התנועה של גוף במעגל סביב כדור הארץ. הגוף מושפע מכוח הכבידה מכדור הארץ. מהחוק השני של ניוטון יש לנו:
מכיוון שהגוף נע במעגל בתאוצה צנטריפטית:
כאשר r הוא רדיוס המסלול המעגלי, R = 6400 ק"מ הוא רדיוס כדור הארץ, ו-h הוא הגובה מעל פני כדור הארץ שבו נע הלוויין. הכוח F הפועל על גוף בעל מסה m שווה ל 
, כאשר Mz = 5.98 * 1024 ק"ג היא מסת כדור הארץ.
יש לנו: 
. מבטא את המהירות 
היא תיקרא הקוסמי הראשון הוא המהירות הנמוכה ביותר, שבתקשורתה לגוף הוא הופך ללוויין מלאכותי של כדור הארץ (AES).
זה נקרא גם מעגלי. ניקח את הגובה שווה ל-0 ונמצא את המהירות הזו, היא שווה בערך ל: 
זה שווה למהירות של לוויין שמסתובב סביב כדור הארץ במסלול מעגלי בהיעדר התנגדות אטמוספרית. 
ניתן לראות מהנוסחה שמהירותו של לוויין אינה תלויה במסה שלו, מה שאומר שכל גוף יכול להפוך ללוויין מלאכותי.
אם תיתן לגוף מהירות גדולה יותר, הוא יתגבר על כוח המשיכה של כדור הארץ.
המהירות הקוסמית השנייה נקראת המהירות הנמוכה ביותר, המאפשרת לגוף להתגבר על כוח המשיכה של כדור הארץ ללא השפעת כוחות נוספים ולהפוך ללוויין של השמש.
מהירות זו נקראה פרבולית, היא מתאימה למסלול הפרבולי של הגוף בשדה הכבידה של כדור הארץ (אם אין התנגדות אטמוספרית). ניתן לחשב זאת מהנוסחה: 
כאן r הוא המרחק ממרכז כדור הארץ לאתר השיגור.
על פני כדור הארץ 
. יש עוד מהירות אחת, שבה הגוף יכול לעזוב את מערכת השמש ולגלוש במרחבי החלל.
המהירות הקוסמית השלישית, המהירות הנמוכה ביותר שמאפשרת לחללית להתגבר על כוח המשיכה של השמש ולעזוב את מערכת השמש.
המהירות הזו 
חוק הכבידה של ניוטון חוק הכבידה, אחד מחוקי הטבע האוניברסליים; לפי נ' ה. כלומר, כל גופי החומר מושכים זה את זה, וגודל כוח הכבידה אינו תלוי בתכונות הפיזיקליות והכימיות של הגופים, במצב תנועתם, בתכונות הסביבה שבה נמצאים הגופים. בכדור הארץ, הכבידה מתבטאת בעיקר בקיומו של כוח הכבידה, שהוא תוצאה של משיכת כל גוף חומרי על ידי כדור הארץ. קשור לכך המונח "כבידה" (מלטינית gravitas - כוח המשיכה), המקביל למונח "כבידה". אינטראקציה כבידה בהתאם ל-N.H. t ממלא את התפקיד העיקרי בתנועה של מערכות כוכבים כמו כוכבים בינארים וכוכבים מרובים, בתוך צבירי כוכבים וגלקסיות. עם זאת, שדות כבידה בתוך צבירי כוכבים וגלקסיות הם בעלי אופי מורכב מאוד וטרם נחקרו מספיק, וכתוצאה מכך נחקרות התנועות בתוכם בשיטות שונות מאלו של מכניקת שמים (ראה אסטרונומיה של כוכבים). האינטראקציה הגרביטציונית ממלאת גם תפקיד חיוני בכל התהליכים הקוסמיים הכוללים הצטברויות של מסות גדולות של חומר. נ.ח. t. הוא הבסיס לחקר התנועה של גרמי שמים מלאכותיים, בפרט לוויינים מלאכותיים של כדור הארץ והירח, וחללי חלל. ב-N.H. t. מסתמך על גרבימטריה. ניתן לזהות ולמדוד כוחות משיכה בין גופי חומר מקרוסקופיים רגילים על פני כדור הארץ, אך אינם ממלאים שום תפקיד מעשי בולט. במיקרוקוסמוס, כוחות המשיכה קטנים באופן זניח בהשוואה לכוחות התוך מולקולריים והתוך גרעיניים. ניוטון השאיר פתוחה את שאלת טבע הכבידה. גם ההנחה של התפשטות הכבידה המיידית במרחב (כלומר, ההנחה שעם שינוי במיקומי הגופים כוח הכבידה ביניהם משתנה באופן מיידי), הקשורה קשר הדוק לאופי הכבידה, גם לא הוסברה. הקשיים הקשורים בכך בוטלו רק בתורת הכבידה של איינשטיין, המייצגת שלב חדש בהכרת חוקי הטבע האובייקטיביים. מוּאָר.:אייזק ניוטון. 1643-1727. ישב. אומנות. עד שלוש מאות שנה להולדתו, עורך. acad. S. I. Vavilova, M. - L., 1943; Berry, A., A Brief History of Astronomy, trans. מאנגלית, מ' - ל', 1946; Subbotin M.F., מבוא לאסטרונומיה תיאורטית, M., 1968. יו.א ריאבוב.
האנציקלופדיה הסובייטית הגדולה. - מ.: האנציקלופדיה הסובייטית. 1969-1978 .
ראה מה זה "חוק הכבידה של ניוטון" במילונים אחרים:
- (חוק הכבידה האוניברסלי), ראה אמנות. (ראה GRAVITY). מילון אנציקלופדיות פיזיקלי. מוסקבה: האנציקלופדיה הסובייטית. העורך הראשי א.מ. פרוחורוב. 1983... אנציקלופדיה פיזית
חוק הכבידה של ניוטון, זהה לחוק הכבידה האוניברסלית... אנציקלופדיה מודרנית
זהה לחוק הכבידה... מילון אנציקלופדי גדול
חוק הכבידה של ניוטון- חוק הכבידה של ניוטון, זהה לחוק הכבידה האוניברסלי. … מילון אנציקלופדי מאויר
חוק הכבידה של ניוטון- אותו דבר כמו (ראה) ...
זהה לחוק הכבידה האוניברסלית. * * * חוק הכבידה של ניוטון חוק הכבידה של ניוטון, זהה לחוק הכבידה האוניברסלית (ראה חוק הכבידה האוניברסלי) ... מילון אנציקלופדי
חוק הכבידה של ניוטון- Niutono gravitacijos dėsnis statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. חוק הכבידה של ניוטון vok. Newtonsches Gravitationsgesetz, n; Newtonsches Massenanziehungsgesetz, n rus. חוק הכבידה של ניוטון, m; חוק הכבידה של ניוטון, m pranc.… … Fizikos terminų žodynas
כוח הכבידה (כבידה אוניברסלית, גרביטציה) (מלטינית gravitas "כבידה") היא אינטראקציה בסיסית ארוכת טווח בטבע, שכל הגופים החומריים כפופים לה. לפי נתונים מודרניים, מדובר באינטראקציה אוניברסלית בכך ש... ... ויקיפדיה
חוק הכבידה האוניברסלית- (חוק הכבידה של ניוטון) כל הגופים החומריים מושכים זה את זה בכוחות פרופורציונליים ישירות למסה שלהם ובפרופורציה הפוך לריבוע המרחק ביניהם: כאשר F הוא מודול כוח הכבידה, m1 ו-m2, מסות הגופים המקיימים אינטראקציה, ר ... ... האנציקלופדיה הפוליטכנית הגדולה
חוק הכבידה- I. חוק הכבידה של ניוטון (1643 1727) במכניקה הקלאסית, לפיו כוח המשיכה של שני גופים בעלי מסות m1 ו-m2 עומד ביחס הפוך לריבוע המרחק r ביניהם; גורם מידתיות G כבידה … מושגים של מדעי הטבע המודרניים. מילון מונחים בסיסיים
לא רק הכי מסתורי איתני הטבעאבל גם הכי חזק.
איש בדרך להתקדמות
היסטורית, זה היה בן אנושככל שאתה מתקדם נתיבים של התקדמותהשתלט על כוחות הטבע החזקים יותר מתמיד. הוא התחיל כשהיה לו רק מקל באגרופו והכוח הפיזי שלו.
אבל הוא היה חכם, והוא הביא את הכוח הפיזי של בעלי החיים לשירותו, והפך אותם לבית. הסוס האיץ את ריצתו, הגמל הפך את המדבר לעביר, הפיל את הג'ונגל הביצות. אבל הכוחות הפיזיים של אפילו בעלי החיים החזקים ביותר קטנים לאין שיעור בהשוואה לכוחות הטבע.
האדם הראשון הכניע את יסוד האש, אבל רק בגרסאותיו המוחלשות ביותר. בתחילה - במשך מאות שנים - הוא השתמש רק בעץ כדלק - סוג דלק בעל אנרגיה נמוכה מאוד. מעט מאוחר יותר, הוא למד להשתמש באנרגיית הרוח ממקור האנרגיה הזה, אדם הרים את הכנף הלבנה של המפרש לאוויר – וספינה קלה עפה כמו ציפור מעל הגלים.
סירת מפרש על הגלים
הוא חשף את להבי טחנת הרוח למשבי הרוח - והאבנים הכבדות של אבני הריחיים הסתובבו, עלי הגריסים קישקשו. אבל ברור לכולם שהאנרגיה של מטוסי האוויר רחוקה מלהיות מרוכזת. בנוסף, גם המפרש וגם טחנת הרוח פחדו ממכות רוח: הסופה קרעה את המפרשים והטביעה את הספינות, הסופה שברה את הכנפיים והפכה את הטחנות.
גם מאוחר יותר, החל האדם לכבוש את המים הזורמים. הגלגל הוא לא רק המכשיר הפרימיטיבי ביותר המסוגל להמיר את אנרגיית המים לתנועה סיבובית, אלא גם בעל הכוח הנמוך ביותר בהשוואה לאלה השונים.
האדם התקדם בסולם ההתקדמות והיה זקוק ליותר ויותר אנרגיה.
הוא החל להשתמש בסוגי דלק חדשים - כבר המעבר לשריפת פחם העלה את עוצמת האנרגיה של קילוגרם דלק מ-2500 קק"ל ל-7000 קק"ל - כמעט פי שלושה. ואז הגיע הזמן לנפט וגז. שוב, תכולת האנרגיה של כל קילוגרם של דלקים מאובנים גדלה פי אחד וחצי עד פעמיים.
מנועי קיטור הוחלפו בטורבינות קיטור; גלגלי הטחנה הוחלפו בטורבינות הידראוליות. ואז הושיט האיש את ידו אל אטום האורניום הבקיע. עם זאת, לשימוש הראשון בסוג חדש של אנרגיה היו השלכות טרגיות - הלהבה הגרעינית של הירושימה ב-1945 שרפה 70 אלף לבבות אנושיים בתוך דקות.
ב-1954 נכנסה לפעולה תחנת הכוח הגרעינית הסובייטית הראשונה בעולם, והפכה את כוח האורניום לכוח הקרינה של זרם חשמלי. ויש לציין שק"ג אורניום מכיל פי שני מיליון יותר אנרגיה מקילוגרם מהנפט הטוב ביותר.
זו הייתה אש חדשה ביסודה, שניתן לכנותה פיזיקלית, כי פיזיקאים הם שחקרו את התהליכים המובילים להולדת כמויות כה נפלאות של אנרגיה.
אורניום אינו הדלק הגרעיני היחיד. כבר נעשה שימוש בסוג חזק יותר של דלק - איזוטופי מימן.
למרבה הצער, האדם עדיין לא הצליח להכניע את הלהבה הגרעינית מימן-הליום. הוא יודע איך להצית לרגע את האש הכול-בוערת שלו, להצית את התגובה בפצצת מימן בהבזק של פיצוץ אורניום. אבל קרוב יותר ויותר, מדענים רואים כור מימן, שייצור זרם חשמלי כתוצאה מהיתוך של גרעינים של איזוטופי מימן לגרעיני הליום.
שוב, כמות האנרגיה שאדם יכול לקחת מכל קילוגרם דלק תגדל כמעט פי עשרה. אך האם הצעד הזה יהיה האחרון בהיסטוריה הקרובה של כוח האדם על איתני הטבע?
לֹא! קדימה - השליטה בצורת הכבידה של האנרגיה. הוא ארוז באופן זהיר יותר מטבעו אפילו מהאנרגיה של היתוך מימן-הליום. כיום זוהי צורת האנרגיה המרוכזת ביותר שאדם יכול אפילו לנחש לגביה.
שום דבר נוסף עדיין לא נראה שם, מעבר לקצה החוד של המדע. ולמרות שאנו יכולים לומר בביטחון שתחנות כוח יעבדו עבור אדם, יעבדו אנרגיית כבידה לזרם חשמלי (או אולי לזרם גז שעף מתוך פיית מנוע סילון, או לתוך הטרנספורמציה המתוכננת של האטומים בכל מקום של סיליקון וחמצן לאטומים של מתכות נדירות במיוחד), אנחנו עדיין לא יכולים לומר דבר על הפרטים של תחנת כוח כזו (מנוע רקטי, כור פיזי).
כוח הכבידה האוניברסלי במקורות לידת הגלקסיות
כוח הכבידה האוניברסלי נמצא במקורות לידת הגלקסיותמחומר יוקרתי, כפי שאקדמאי V.A. Ambartsumyan משוכנע. זה גם מכבה את הכוכבים ששרפו את זמנם, לאחר שהוציאו את הדלק הכוכבי שהוקצה להם בלידה.
כן, תסתכל סביב: כל דבר על פני כדור הארץ נשלט במידה רבה על ידי הכוח הזה.
היא זו שקובעת את המבנה השכבתי של הפלנטה שלנו - החלפת הליתוספירה, ההידרוספירה והאטמוספירה. היא זו שמחזיקה שכבה עבה של גזי אוויר, שבתחתיתה ובזכותה כולנו קיימים.
אם לא היה כוח משיכה, כדור הארץ היה פורץ מיד ממסלולו סביב השמש, והכדור עצמו היה מתפרק, נקרע על ידי כוחות צנטריפוגליים. קשה למצוא משהו שלא יהיה, במידה זו או אחרת, תלוי בכוח הכבידה האוניברסלי.
כמובן, הפילוסופים העתיקים, אנשים מאוד שומרי מצוות, לא יכלו שלא לשים לב שאבן שנזרקה כלפי מעלה תמיד חוזרת. אפלטון במאה ה-4 לפני הספירה הסביר זאת בכך שכל חומרי היקום נוטים למקום שבו מרוכזים רוב החומרים הדומים: אבן שנזרקה נופלת לקרקע או יורדת לקרקעית, מים שנשפכו מחלחלים לבריכה הקרובה או לתוך נהר העושה את דרכו אל הים, עשן של אש זוהר אל ענני משפחתו.
תלמידו של אפלטון, אריסטו, הבהיר שלכל הגופים יש תכונות מיוחדות של כבדות וקלילות. גופים כבדים - אבנים, מתכות - ממהרים למרכז היקום, אור - אש, עשן, אדים - לפריפריה. השערה זו, המסבירה חלק מהתופעות הקשורות לכוח הכבידה האוניברסלי, קיימת כבר יותר מאלפיים שנה.
מדענים על כוח הכבידה
כנראה הראשון להעלות את השאלה של כוח המשיכהממש מדעי, היה הגאון של הרנסנס - לאונרדו דה וינצ'י. לאונרדו הכריז שכבידה אופיינית לא רק לכדור הארץ, אלא שיש הרבה מרכזי כובד. והוא גם הציע שכוח הכובד תלוי במרחק למרכז הכובד.
יצירותיהם של קופרניקוס, גלילאו, קפלר, רוברט הוק התקרבו יותר ויותר לרעיון חוק הכבידה האוניברסלית, אך בניסוחו הסופי חוק זה קשור לנצח בשמו של אייזק ניוטון.
אייזק ניוטון על כוח הכבידה
נולד ב-4 בינואר 1643. הוא סיים את לימודיו באוניברסיטת קיימברידג', הפך לרווק, ואז - מאסטר במדעים.
אייזק ניוטון כל מה שאחריו הוא עושר אינסופי של יצירות מדעיות. אבל עבודתו העיקרית היא "העקרונות המתמטיים של הפילוסופיה הטבעית", שפורסם ב-1687 ונקרא בדרך כלל פשוט "התחלות". בהם מנוסח הגדול. בטח כולם זוכרים אותו מהתיכון.
כל הגופים נמשכים זה לזה בכוח שהוא ביחס ישר למכפלת המסות של הגופים הללו וביחס הפוך לריבוע המרחק ביניהם ...
קודמיו של ניוטון יכולים לצפות כמה הוראות של ניסוח זה, אך הוא עדיין לא נמסר לאיש בשלמותו. היה צורך בגאונותו של ניוטון כדי להרכיב את השברים הללו למכלול אחד על מנת להפיץ את המשיכה של כדור הארץ לירח, והשמש - לכל המערכת הפלנטרית.
מחוק הכבידה האוניברסלית, ניוטון שאב את כל חוקי התנועה של כוכבי הלכת, שהתגלו קודם לכן על ידי קפלר. הם פשוט היו ההשלכות שלו. יתרה מכך, ניוטון הראה שלא רק חוקי קפלר, אלא גם סטיות מחוקים אלו (בעולם של שלושה גופים או יותר) הם תוצאה של כבידה אוניברסלית... זה היה ניצחון גדול של המדע.
נראה היה שכוח הטבע העיקרי, המניע את העולמות, התגלה לבסוף ותואר מתמטית, הכוח שאליו כפופות מולקולות האוויר, התפוחים והשמש. ענק, ענק לאין שיעור היה הצעד שעשה ניוטון.
הפופולארי הראשון של עבודתו של מדען מבריק, הסופר הצרפתי פרנסואה מארי ארואה, המפורסם בעולם תחת השם הבדוי וולטייר, אמר שניוטון ניחש לפתע את קיומו של חוק הקרוי על שמו כשהביט בתפוח נופל.
ניוטון עצמו מעולם לא הזכיר את התפוח הזה. ובקושי שווה לבזבז היום זמן על הפרכת האגדה היפה הזו. וככל הנראה, ניוטון הגיע להבין את כוחו הגדול של הטבע על ידי חשיבה לוגית. סביר להניח שהוא נכלל בפרק המקביל של "התחלות".
כוח הכבידה משפיע על מעוף הגרעין
נניח שעל הר גבוה מאוד, כל כך גבוה שפסגתו כבר יצאה מהאטמוספירה, הקמנו כלי ארטילרי ענק. הקנה שלו הוצב מקביל לחלוטין לפני השטח של הגלובוס ונורה. מתאר את הקשת הליבה נופלת על הקרקע.
אנחנו מגבירים את המטען, משפרים את איכות אבק השריפה, בדרך זו או אחרת אנו מבצעים את הליבה לזוז במהירות גבוהה יותר לאחר הירייה הבאה. הקשת המתוארת על ידי הליבה הופכת שטוחה יותר. הליבה נופלת הרבה יותר רחוק מרגלי ההר שלנו.
אנחנו גם מגבירים את המטען ויורים. הגרעין עף לאורך מסלול כה עדין שהוא יורד במקביל לפני השטח של הגלובוס. הליבה כבר לא יכולה ליפול לכדור הארץ: באותה מהירות שבה הוא נופל, כדור הארץ בורח מתחתיו. ולאחר שתיאר את הטבעת סביב הפלנטה שלנו, הליבה חוזרת לנקודת המוצא.
ניתן להסיר את האקדח בינתיים. אחרי הכל, הטיסה של הגרעין מסביב לגלובוס תארך יותר משעה. ואז הליבה תטאטא במהירות את ראש ההר ותעבור למעגל חדש סביב כדור הארץ. סתיו, אם, כפי שסיכמנו, הליבה לא תחווה שום התנגדות אוויר, היא לעולם לא תוכל.
מהירות הליבה עבור זה צריכה להיות קרובה ל-8 ק"מ לשנייה. ואם תגביר את מהירות הטיסה של הליבה? תחילה הוא יעוף בקשת, עדינה יותר מהעקמומיות של פני כדור הארץ, ויתחיל להתרחק מכדור הארץ. במקביל, מהירותו בהשפעת כוח המשיכה של כדור הארץ תרד.
ולבסוף, בהסתובב, הוא יתחיל, כביכול, ליפול בחזרה לכדור הארץ, אבל הוא יעוף על פניו ולא ישלים עוד מעגל, אלא אליפסה. הליבה תנוע סביב כדור הארץ בדיוק באותו האופן שבו נע כדור הארץ סביב השמש, כלומר לאורך אליפסה, באחד המוקדים שלו יהיה ממוקם מרכז כוכב הלכת שלנו.
אם נגביר עוד יותר את המהירות ההתחלתית של הגרעין, האליפסה תתברר כנמתחת יותר. אפשר למתוח אליפסה זו בצורה כזו שהגרעין יגיע למסלול הירח או אפילו הרבה יותר רחוק. אבל עד שהמהירות ההתחלתית של הגרעין הזה תעלה על 11.2 ק"מ לשנייה, הוא יישאר לוויין של כדור הארץ.
הגרעין, שקיבל מהירות של למעלה מ-11.2 קמ"ש בעת ירי, יעוף לנצח מכדור הארץ לאורך מסלול פרבולי. אם אליפסה היא עקומה סגורה, אז פרבולה היא עקומה שיש לה שני ענפים העוברים עד אינסוף. לנוע לאורך אליפסה, לא משנה כמה היא עשויה להיות מוארכת, בהכרח נחזור באופן שיטתי לנקודת ההתחלה. נעים לאורך פרבולה, לעולם לא נחזור לנקודת ההתחלה.
אבל, לאחר שעזב את כדור הארץ במהירות זו, הגרעין עדיין לא יוכל לעוף עד אינסוף. כוח הכבידה העוצמתי של השמש יכופף את מסלול טיסתה, יסגור סביב עצמו כמו מסלול של כוכב לכת. הליבה תהפוך לאחותו של כדור הארץ, כוכב לכת זעיר במשפחת כוכבי הלכת שלנו.
כדי לכוון את הגרעין אל מחוץ למערכת הפלנטרית, כדי להתגבר על משיכה השמש, יש צורך לומר לו מהירות של יותר מ-16.7 קמ"ש, ולכוון אותו כך שמהירות התנועה של כדור הארץ עצמו תתווסף למהירות זו. .
מהירות של כ-8 קמ"ש (מהירות זו תלויה בגובה ההר שממנו יורה האקדח שלנו) נקראת מהירות מעגלית, מהירויות מ-8 עד 11.2 קמ"ש הן אליפטיות, מ-11.2 עד 16.7 ק"מ לשנייה הן פרבוליות, ומעל המספר הזה - מהירויות משחררות.
כאן יש להוסיף כי הערכים הנתונים של מהירויות אלו תקפים רק עבור כדור הארץ. אם היינו חיים על מאדים, היה לנו הרבה יותר קל להשיג את המהירות המעגלית - שם היא רק כ-3.6 ק"מ לשנייה, והמהירות הפרבולית היא רק מעט יותר מ-5 ק"מ לשנייה.
מצד שני, יהיה הרבה יותר קשה לשלוח את הגרעין לטיסת חלל מצדק מאשר מכדור הארץ: המהירות המעגלית על כוכב הלכת הזה היא 42.2 ק"מ לשנייה, והמהירות הפרבולית היא אפילו 61.8 ק"מ לשנייה!
יהיה קשה ביותר לתושבי השמש לעזוב את עולמם (אם, כמובן, כזה יכול להתקיים). המהירות המעגלית של הענק הזה צריכה להיות 437.6, ומהירות ההפרדה - 618.8 קמ"ש!
אז ניוטון בסוף המאה ה-17, מאה שנים לפני הטיסה הראשונה של הכדור פורח שהתמלא באוויר חם על ידי האחים מונטגולפייר, מאתיים שנה לפני הטיסות הראשונות של המטוס של האחים רייט, וכמעט רבע. של מילניום לפני ההמראה של הרקטות הנוזליות הראשונות, הצביע על הדרך לשמיים עבור לוויינים וחלליות.
כוח הכבידה טבוע בכל תחום
על ידי שימוש ב חוק הכבידהכוכבי לכת לא ידועים התגלו, נוצרו השערות קוסמוגוניות של מקור מערכת השמש. כוחו העיקרי של הטבע, השולט בכוכבים, כוכבי הלכת, התפוחים בגן ומולקולות הגז באטמוספירה, התגלה ותואר מתמטית.
אבל אנחנו לא מכירים את מנגנון הכבידה האוניברסלית. הכבידה הניוטונית אינה מסבירה, אלא מייצגת חזותית את המצב הנוכחי של תנועה פלנטרית.
איננו יודעים מה גורם לאינטראקציה של כל גופי היקום. ואי אפשר לומר שניוטון לא התעניין בסיבה הזו. במשך שנים רבות הוא הרהר במנגנון האפשרי שלו.
אגב, זה אכן כוח מסתורי ביותר. כוח שמתבטא במאות מיליוני קילומטרים של מרחב, נטול כל תצורות חומריות במבט ראשון, בעזרתו ניתן היה להסביר את העברת האינטראקציה.
ההשערות של ניוטון
ו ניוטוןנקטו הַשׁעָרָהעל קיומו של אתר מסוים שממלא לכאורה את היקום כולו. בשנת 1675, הוא הסביר את המשיכה לכדור הארץ בכך שהאתר הממלא את היקום כולו ממהר למרכז כדור הארץ בזרמים רציפים, לוכד את כל העצמים בתנועה זו ויוצר כוח כבידה. אותה זרימה של אתר ממהרת אל השמש וגוררת את כוכבי הלכת, השביטים, מבטיחה את המסלולים האליפטיים שלהם...
זו לא הייתה השערה משכנעת במיוחד, אם כי הגיונית לחלוטין מבחינה מתמטית. אבל כעת, ב-1679, יצר ניוטון השערה חדשה המסבירה את מנגנון הכבידה. הפעם הוא מעניק לאתר את התכונה שיש לו ריכוז שונה ליד כוכבי הלכת ורחוק מהם. ככל שמתרחק ממרכז הפלנטה, האתר כביכול צפוף יותר. ויש לו את התכונה לסחוט את כל גופי החומר מתוך השכבות הצפופות יותר שלהם לשכבות פחות צפופות. וכל הגופים נדחסים אל פני כדור הארץ.
בשנת 1706, ניוטון מכחיש בחריפות את עצם קיומו של האתר. ב-1717 הוא חוזר שוב להשערת האתר הסוחט החוצה.
המוח הגאוני של ניוטון נלחם על פתרון התעלומה הגדולה ולא מצא אותו. זה מסביר זריקה חדה כזו מצד לצד. ניוטון נהג לומר:
אני לא מעלה השערות.
ולמרות שכפי שרק הצלחנו לאמת, זה לא לגמרי נכון, אנחנו בהחלט יכולים לקבוע משהו אחר: ניוטון הצליח להבחין בבירור בין דברים שאין עליהם עוררין מהשערות לא יציבות ושנויות במחלוקת. וביסודות יש נוסחה של החוק הגדול, אבל אין ניסיון להסביר את המנגנון שלו.
הפיזיקאי הגדול הוריש את החידה הזו לאיש העתיד. הוא נפטר בשנת 1727.
זה לא נפתר גם היום.
הדיון על המהות הפיזית של חוק ניוטון ארך מאתיים שנה. ואולי הדיון הזה לא היה נוגע לעצם מהותו של החוק, אילו יענה בדיוק על כל השאלות שהופנו אליו.
אבל עובדה היא שעם הזמן התברר שהחוק הזה אינו אוניברסלי. שיש מקרים שהוא לא יכול להסביר תופעה כזו או אחרת. בואו ניתן דוגמאות.
כוח הכבידה בחישוביו של סיליגר
הראשון שבהם הוא הפרדוקס של סיליגר. בהתחשב ביקום כאינסופי ומלא בחומר באופן אחיד, ניסה סיליגר לחשב, על פי חוק ניוטון, את כוח הכבידה האוניברסלי שנוצר על ידי כל המסה הגדולה לאין שיעור של היקום האינסופי בנקודה כלשהי בו.
זו הייתה משימה לא קלה מנקודת מבט של מתמטיקה טהורה. לאחר שהתגבר על כל הקשיים של הטרנספורמציות המורכבות ביותר, מצא סיליג'ר שהכוח הרצוי של הכבידה האוניברסלית הוא פרופורציונלי לרדיוס של היקום. ומכיוון שהרדיוס הזה שווה לאינסוף, אז כוח הכבידה חייב להיות גדול לאין שיעור. עם זאת, איננו רואים זאת בפועל. המשמעות היא שחוק הכבידה האוניברסלי אינו חל על היקום כולו.
עם זאת, אפשריים גם הסברים אחרים לפרדוקס. לדוגמה, אנו יכולים להניח שחומר אינו ממלא באופן שווה את כל היקום, אך צפיפותו פוחתת בהדרגה ולבסוף, במקום רחוק מאוד אין חומר כלל. אבל לדמיין תמונה כזו פירושו להודות באפשרות של קיומו של חלל ללא חומר, וזה בדרך כלל אבסורדי.
אפשר להניח שכוח הכבידה נחלש מהר יותר משגדל ריבוע המרחק. אבל זה מטיל ספק בהרמוניה המפתיעה של חוק ניוטון. לא, וההסבר הזה לא סיפק את המדענים. הפרדוקס נשאר פרדוקס.
תצפיות על תנועתו של מרקורי
עובדה נוספת, פעולת כוח הכבידה האוניברסלית, שאינה מוסברת על ידי חוק ניוטון, הביאה תצפית על תנועתו של מרקורי- הכי קרוב לכוכב הלכת. חישובים מדויקים לפי חוק ניוטון הראו שהפרהליון - נקודת האליפסה שלאורכה נעה מרקורי הקרובה ביותר לשמש - צריכה לעבור ב-531 שניות קשת תוך 100 שנים.
ואסטרונומים מצאו שהשינוי הזה שווה ל-573 שניות קשת. גם את העודף הזה - 42 שניות קשת - לא ניתן היה להסביר על ידי מדענים, תוך שימוש רק בנוסחאות הנובעות מחוק ניוטון.
הוא הסביר גם את הפרדוקס של סיליג'ר, וגם את עקירת הפרהליון של מרקורי, ועוד תופעות פרדוקסליות רבות ועובדות בלתי מוסברות אלברט איינשטיין, אחד הפיזיקאים הגדולים, אם לא הגדול בכל הזמנים. בין הדברים הקטנים והמעצבנים הייתה השאלה של רוח ערכית.
ניסויים מאת אלברט מיכלסון
נראה היה ששאלה זו אינה נוגעת ישירות לבעיית הכבידה. הוא התייחס לאופטיקה, לאור. ליתר דיוק, להגדרת המהירות שלו.
האסטרונום הדני היה הראשון שקבע את מהירות האור. אולף רמרצופה בליקוי הירחים של צדק. זה קרה כבר בשנת 1675.
פיזיקאי אמריקאי אלברט מיכלסוןבסוף המאה ה-18, הוא ערך סדרה של קביעות של מהירות האור בתנאים יבשתיים, באמצעות המנגנון שתכנן.
בשנת 1927, הוא נתן את מהירות האור 299796 + 4 קמ"ש, שהיה דיוק מצוין לאותם זמנים. אבל מהות העניין שונה. בשנת 1880 הוא החליט לחקור את הרוח האתרית. הוא רצה לבסס לבסוף את קיומו של אותו אתר, שבנוכחותו ניסו להסביר גם את העברת האינטראקציה הגרביטציונית וגם את העברת גלי האור.
מיכלסון היה כנראה הנסיין המדהים ביותר בתקופתו. היה לו ציוד מעולה. והוא היה כמעט בטוח בהצלחה.
מהות הניסיון
חוויההוגה כך. כדור הארץ נע במסלולו במהירות של כ-30 ק"מ לשנייה.. נע באוויר. המשמעות היא שמהירות האור ממקור שנמצא לפני המקלט ביחס לתנועת כדור הארץ חייבת להיות גדולה יותר מאשר ממקור שנמצא בצד השני. במקרה הראשון, יש להוסיף את מהירות הרוח האתרית למהירות האור; במקרה השני, מהירות האור חייבת לרדת בערך זה.
כמובן שמהירות כדור הארץ במסלולו סביב השמש היא רק אלפית ממהירות האור. קשה מאוד למצוא מונח קטן כל כך, אבל מיכלסון נקרא מלך הדיוק מסיבה כלשהי. הוא השתמש בדרך גאונית כדי לתפוס את ההבדל ה"חמקמק" במהירויות של קרני האור.
הוא פיצל את האלומה לשני זרמים שווים וכיוון אותם לכיוונים מאונכים זה לזה: לאורך המרידיאן ולאורך המקביל. שהשתקפו מהמראות, חזרו הקרניים. אם האלומה העוברת לאורך ההקבלה חוותה את השפעת הרוח האתרית, כאשר היא נוספה לאלומת המרידיונל, היו צריכים להיווצר שולי הפרעה, הגלים של שתי הקורות היו מוזזים בשלב.
עם זאת, היה קשה למיכלסון למדוד את הנתיבים של שתי הקרניים בדיוק רב כל כך, כך שהם היו זהים לחלוטין. לכן, הוא בנה את המנגנון כך שלא יהיו שולי הפרעה, ואז סובב אותו ב-90 מעלות.
קרן המרידיונל הפכה לרוחב ולהיפך. אם יש רוח אתרית, פסים שחורים ובהירים צריכים להופיע מתחת לעינית! אבל הם לא היו. אולי, כשסובב את המכשיר, המדען הזיז אותו.
הוא הקים את זה בצהריים ותיקן את זה. אחרי הכל, חוץ מזה, הוא גם מסתובב סביב הציר שלו. ולפיכך, בזמנים שונים של היום, אלומת הרוחב תופסת מיקום שונה ביחס לרוח האתרית המתקרבת. כעת, כאשר המנגנון הוא ללא תנועה לחלוטין, אפשר להיות משוכנעים בדיוק של הניסוי.
שוב לא היו שולי הפרעות. הניסוי בוצע פעמים רבות, ומיכלסון, ואיתו כל הפיזיקאים של אז, נדהמו. הרוח הארצית לא זוהתה! האור נע לכל הכיוונים באותה מהירות!
אף אחד לא הצליח להסביר את זה. מיכלסון חזר על הניסוי שוב ושוב, שיפר את הציוד, ולבסוף השיג דיוק מדידה כמעט מדהים, בסדר גודל גדול מהנדרש להצלחת הניסוי. ושוב כלום!
ניסויים מאת אלברט איינשטיין
הצעד הגדול הבא פנימה ידע על כוח הכבידהעשה אלברט איינשטיין.
אלברט איינשטיין נשאל פעם:
איך הגעת לתורת היחסות המיוחדת שלך? באילו נסיבות הגעת לרעיון מבריק? המדען ענה: "תמיד נראה לי שזה המצב.
אולי הוא לא רצה להיות גלוי, אולי רצה להיפטר מבן השיח המעצבן. אבל קשה לדמיין שהרעיון של איינשטיין על הקשרים בין זמן, מרחב ומהירות היה מולד.
לא, כמובן, בהתחלה הייתה תחושה, בהירה כמו ברק. ואז התחילה הפיתוח. לא, אין סתירות עם תופעות ידועות. ואז הופיעו חמשת העמודים המלאים בנוסחאות, שפורסמו בכתב עת פיזי. דפים שפתחו עידן חדש בפיזיקה.
דמיינו ספינת חלל טסה בחלל. נזהיר אותך מיד: ספינת הכוכבים מאוד מוזרה, מהסוג שלא קראת עליה בסיפורי מדע בדיוני. אורכו הוא 300 אלף ק"מ, ומהירותו היא, ובכן, נניח, 240 אלף קמ"ש. והחללית הזו עפה על פני אחת מפלטפורמות הביניים בחלל, מבלי לעצור בה. במלוא המהירות.
אחד הנוסעים עומד על סיפון ספינת החלל עם שעון. ואתה ואני, הקורא, עומדים על במה - אורכה חייב להתאים לגודלה של ספינת חלל, כלומר 300 אלף קילומטרים, אחרת היא לא תוכל להיצמד אליה. ויש לנו גם שעון בידיים.
אנו שמים לב שברגע שבו החרטום של ספינת החלל הדביק את הקצה האחורי של הרציף שלנו, הבהב עליו פנס שהאיר את החלל המקיף אותו. שנייה לאחר מכן, קרן אור הגיעה לקצה הקדמי של הרציף שלנו. אנחנו לא מפקפקים בכך, כי אנחנו יודעים את מהירות האור, והצלחנו לזהות בדיוק את הרגע המתאים בשעון. ועל ספינת כוכבים...
אבל גם ספינת הכוכבים טסה לעבר אלומת האור. ודי בהחלט ראינו שהאור האיר את הירכתיים שלו ברגע שהוא היה איפשהו קרוב לאמצע הרציף. בהחלט ראינו שקרן האור לא מכסה 300 אלף קילומטרים מהחרטום ועד ירכתי הספינה.
אבל הנוסעים על סיפון ספינת החלל בטוחים במשהו אחר. הם בטוחים שהקורה שלהם כיסתה את כל המרחק מחרטום ועד ירכתיים של 300 אלף קילומטרים. אחרי הכל, הוא השקיע בזה שנייה שלמה. גם הם רשמו את זה בצורה מדויקת לחלוטין על השעונים שלהם. ואיך יכול להיות אחרת: אחרי הכל, מהירות האור אינה תלויה במהירות המקור...
איך זה? אנחנו רואים דבר אחד מפלטפורמה קבועה, ואחר להם על סיפון ספינת חלל? מה הבעיה?
תורת היחסות של איינשטיין
יש לציין מיד: תורת היחסות של איינשטייןבמבט ראשון, זה סותר לחלוטין את הרעיון הקבוע שלנו לגבי מבנה העולם. אפשר לומר שזה גם סותר את השכל הישר, כפי שאנחנו רגילים להציג אותו. זה קרה פעמים רבות בהיסטוריה של המדע.
אבל גילוי הכדוריות של כדור הארץ היה מנוגד לשכל הישר. איך אנשים יכולים לחיות בצד הנגדי ולא ליפול לתהום?
עבורנו, הכדוריות של כדור הארץ היא עובדה ללא ספק, ומנקודת המבט של השכל הישר, כל הנחה אחרת היא חסרת משמעות ופראית. אבל צא אחורה מזמנך, דמיינו את ההופעה הראשונה של הרעיון הזה, ותבינו כמה קשה יהיה לקבל אותו.
ובכן, האם היה קל יותר להודות שכדור הארץ אינו חסר תנועה, אלא טס לאורך מסלולו מהר עשרות מונים מכדור תותח?
כל אלה היו הריסות השכל הישר. לכן, פיזיקאים מודרניים אף פעם לא מתייחסים אליו.
כעת נחזור לתורת היחסות המיוחדת. העולם זיהה אותה לראשונה בשנת 1905 ממאמר חתום בשם לא ידוע - אלברט איינשטיין. והוא היה אז רק בן 26.
איינשטיין הניח הנחה מאוד פשוטה והגיונית מתוך הפרדוקס הזה: מנקודת מבטו של צופה על הרציף, במכונית נוסעת חלף פחות זמן ממה שמדד שעון היד שלך. במכונית חלף הזמן הואט בהשוואה לזמן על הרציף הנייח.
דברים מדהימים למדי נבעו באופן הגיוני מההנחה הזו. התברר שאדם שנוסע לעבודה בחשמלית, בהשוואה להולך רגל שנוסע באותה הדרך, לא רק חוסך זמן בגלל המהירות, אלא גם הולך לו לאט יותר.
עם זאת, אל תנסה לשמר כך את הנעורים הנצחיים: גם אם תהפוך לנהג כרכרה ותבלה שליש מחייך בחשמלית, בעוד 30 שנה תרוויח בקושי יותר ממיליונית השנייה. כדי שהרווח בזמן יהיה מורגש, יש צורך לנוע במהירות הקרובה למהירות האור.
מסתבר שהעלייה במהירות של גופים באה לידי ביטוי במסה שלהם. ככל שמהירות הגוף קרובה יותר למהירות האור, כך מסתו גדולה יותר. במהירות של גוף השווה למהירות האור, המסה שלו שווה לאינסוף, כלומר, היא גדולה מהמסה של כדור הארץ, השמש, הגלקסיה, כל היקום שלנו... זו כמה מסה יכול להיות מרוכז באבן מרצפת פשוטה, ולהאיץ אותה למהירות
סווטה!
הדבר מטיל מגבלה שאינה מאפשרת לשום גוף חומרי לפתח מהירות השווה למהירות האור. אחרי הכל, ככל שהמסה גדלה, קשה יותר ויותר לפזר אותה. ואי אפשר להזיז מסה אינסופית בשום כוח.
עם זאת, הטבע עשה חריג חשוב מאוד לחוק זה עבור מחלקה שלמה של חלקיקים. למשל, לפוטונים. הם יכולים לנוע במהירות האור. ליתר דיוק, הם לא יכולים לנוע בשום מהירות אחרת. לא יעלה על הדעת לדמיין פוטון חסר תנועה.
כשהוא נייח, אין לו מסה. כמו כן, לנייטרינו אין מסת מנוחה, והם גם נידונים לטיסה נצחית חסרת מעצורים בחלל במהירות המקסימלית האפשרית ביקום שלנו, מבלי לעקוף את האור ולעמוד בו.
האין זה נכון שכל אחת מההשלכות של תורת היחסות המיוחדת הרשומה על ידינו היא מפתיעה, פרדוקסלית! וכל אחד, כמובן, מנוגד ל"שכל הישר"!
אבל הנה מה שמעניין: לא בצורתו הקונקרטית, אלא כעמדה פילוסופית רחבה, כל ההשלכות המדהימות הללו ניבאו על ידי מייסדי המטריאליזם הדיאלקטי. מה אומרות ההשלכות הללו? על הקשרים המחברים בין אנרגיה ומסה, מסה ומהירות, מהירות וזמן, מהירות ואורך של עצם נע...
גילוי התלות ההדדית של איינשטיין, כמו מלט (עוד:), חיבור חיזוק, או אבני יסוד, חיבר יחד דברים ותופעות שנראו בעבר בלתי תלויים זה בזה ויצרו את הבסיס שעליו היה לראשונה בתולדות המדע. אפשר לבנות בניין הרמוני. הבניין הזה הוא ייצוג של איך היקום שלנו עובד.
אבל קודם, לפחות כמה מילים על תורת היחסות הכללית, שיצרה גם אלברט איינשטיין.
אלברט איינשטיין השם הזה - תורת היחסות הכללית - לא לגמרי תואם את תוכנה של התיאוריה, עליה נדון. הוא מבסס תלות הדדית בין מרחב וחומר. כנראה שיהיה נכון יותר לקרוא לזה תורת המרחב-זמן, או תורת הכבידה.
אבל השם הזה צמח כל כך קרוב לתיאוריה של איינשטיין, שאפילו העלאת השאלה של החלפתו נראית כעת מגונה בעיני מדענים רבים.
תורת היחסות הכללית ביססה את התלות ההדדית בין החומר לבין הזמן והמרחב המכילים אותו. התברר שלא רק שאי אפשר לדמיין את המרחב והזמן כקיימים בנפרד מהחומר, אלא שתכונותיהם תלויות גם בחומר הממלא אותם.
נקודת מוצא לדיון
לכן, אפשר רק לפרט נקודת מוצא לדיוןולהסיק כמה מסקנות חשובות.
בתחילת המסע בחלל, אסון בלתי צפוי הרס את הספרייה, קרן הסרטים ומאגרים אחרים של המוח, זכרם של אנשים שעפים בחלל. וטבעו של כוכב הלכת הילידים נשכח בשינוי של מאות שנים. אפילו חוק הכבידה האוניברסלית נשכח, כי הרקטה טסה בחלל הבין-גלקטי, שם היא כמעט ואינה מורגשת.
עם זאת, מנועי הספינה עובדים מעולה, אספקת האנרגיה בסוללות היא כמעט בלתי מוגבלת. רוב הזמן, הספינה נעה באינרציה, ותושביה רגילים לחוסר משקל. אבל לפעמים הם מפעילים את המנועים ומאטים או מאיצים את תנועת הספינה. כאשר חרירי סילון בוערים לתוך הריק בלהבה חסרת צבע והספינה נעה בקצב מואץ, התושבים מרגישים שגופם הופך לכבד משקל, הם נאלצים להסתובב בספינה, ולא לעוף במסדרונות.
ועכשיו הטיסה קרובה לסיום. הספינה טסה עד לאחד הכוכבים ונופלת למסלולי כוכב הלכת המתאים ביותר. ספינות הכוכבים יוצאות החוצה, צועדות על קרקע ירוקה ורעננה, חוות כל הזמן את אותה תחושת כבדות, המוכרת מהתקופה שבה הספינה נעה בקצב מואץ.
אבל כדור הארץ נע באופן שווה. הוא לא יכול לעוף לעברם בתאוצה קבועה של 9.8 מ'/שנ'2! ויש להם ההנחה הראשונה ששדה הכבידה (כוח הכבידה) והתאוצה נותנים את אותו אפקט, ואולי יש להם אופי משותף.
אף אחד מבני דורנו הארציים לא היה בטיסה כה ארוכה, אבל אנשים רבים חשו בתופעה של "השקלול" ו"הבהרת" גופם. כבר מעלית רגילה, כשהיא נעה בקצב מואץ, יוצרת את התחושה הזו. כאשר יורדים, אתה מרגיש ירידה פתאומית במשקל; בעת עלייה, להיפך, הרצפה לוחצת על הרגליים שלך בעוצמה רבה מהרגיל.
אבל תחושה אחת לא מוכיחה כלום. אחרי הכל, תחושות מנסות לשכנע אותנו שהשמש נעה בשמיים סביב כדור הארץ ללא תנועה, שכל הכוכבים וכוכבי הלכת נמצאים באותו מרחק מאיתנו, ברקיע וכו'.
מדענים הכניסו את התחושות לאימות ניסיוני. אפילו ניוטון חשב על הזהות המוזרה של שתי התופעות. הוא ניסה לתת להם מאפיינים מספריים. לאחר שמדד את הכבידה ו-, הוא היה משוכנע שהערכים שלהם תמיד שווים זה לזה.
מכל החומרים שיצר את המטוטלות של מפעל הטייס: מכסף, עופרת, זכוכית, מלח, עץ, מים, זהב, חול, חיטה. התוצאה הייתה זהה.
עקרון השקילות, שעליו אנו מדברים, הוא הבסיס לתורת היחסות הכללית, למרות שהפרשנות המודרנית של התיאוריה אינה זקוקה עוד לעיקרון זה. בהשמטת המסקנות המתמטיות הנובעות מעיקרון זה, הבה נמשיך ישירות לכמה השלכות של תורת היחסות הכללית.
נוכחותם של מסות גדולות של חומר משפיעה מאוד על המרחב שמסביב. זה מוביל לשינויים כאלה בו, שניתן להגדיר כאי-הומוגניות של החלל. אי-הומוגניות אלו מכוונות את התנועה של כל המסה הקרובה לגוף המושך.
בדרך כלל פונים לאנלוגיה כזו. תארו לעצמכם קנבס מתוח בחוזקה על מסגרת מקבילה לפני השטח של כדור הארץ. שימו עליו משקל כבד. זו תהיה מסת המשיכה הגדולה שלנו. היא, כמובן, תכופף את הקנבס ותגיע להפסקה כלשהי. כעת גלגלו את הכדור על הבד הזה בצורה כזו שחלק מהנתיב שלו נמצא ליד המסה המושכת. תלוי איך הכדור ישוגר, שלוש אפשרויות אפשריות.
- הכדור יעוף מספיק רחוק מהשקע שנוצר כתוצאה מהסטת הקנבס ולא ישנה את תנועתו.
- הכדור ייגע בשקע, וקווי התנועה שלו יתכופפו לעבר המסה המושכת.
- הכדור ייפול לתוך החור הזה, לא יוכל לצאת ממנו, ויעשה סיבוב אחד או שניים סביב המסה המשיכה.
האין זה נכון שהאופציה השלישית מדגמנת בצורה יפה מאוד את לכידת כוכב או כוכב לכת של גוף זר המוטס ברישול לשדה המשיכה שלהם?
והמקרה השני הוא כיפוף המסלול של גוף שעף במהירות גדולה ממהירות הלכידה האפשרית! המקרה הראשון דומה לטיסה מחוץ לטווח המעשי של שדה הכבידה. כן, זה מעשי, כי באופן תיאורטי שדה הכבידה הוא בלתי מוגבל.
כמובן שזו אנלוגיה רחוקה מאוד, בעיקר בגלל שאף אחד לא באמת יכול לדמיין את הסטייה של המרחב התלת מימדי שלנו. מה המשמעות הפיזית של הסטייה הזו, או העקמומיות, כפי שאומרים לעתים קרובות, אף אחד לא יודע.
מתורת היחסות הכללית עולה שכל גוף חומרי יכול לנוע בשדה כבידה רק לאורך קווים מעוקלים. רק במקרים מיוחדים, העקומה הופכת לקו ישר.
גם קרן האור מצייתת לכלל זה. אחרי הכל, הוא מורכב מפוטונים בעלי מסה מסוימת בטיסה. ושדה הכבידה משפיע עליו, כמו גם על מולקולה, אסטרואיד או כוכב לכת.
מסקנה חשובה נוספת היא ששדה הכבידה משנה גם את מהלך הזמן. ליד מסה מושכת גדולה, בשדה כבידה חזק שנוצר על ידה, חלוף הזמן צריך להיות איטי יותר מאשר הרחק ממנה.
אתה מבין, ותורת היחסות הכללית טומנת בחובה מסקנות פרדוקסליות שיכולות להפוך את הרעיונות שלנו על "השכל הישר" שוב ושוב!
קריסת כבידה
בואו נדבר על תופעה מדהימה בעלת אופי קוסמי - על קריסת כבידה (דחיסה קטסטרופלית). תופעה זו מתרחשת בהצטברויות עצומות של חומר, שבהן כוחות הכבידה מגיעים לגדלים כה עצומים, שאף כוחות אחרים הקיימים בטבע אינם יכולים לעמוד בפניהם.
זכרו את הנוסחה המפורסמת של ניוטון: ככל שכוח הכבידה גדול יותר, הריבוע של המרחק בין גופים כבידה קטן יותר. לפיכך, ככל שהיווצרות החומר הופכת צפופה יותר, ככל שגודלו קטן יותר, כוחות הכבידה גדלים מהר יותר, כך חיבוקם ההרסני הוא בלתי נמנע יותר.
ישנה טכניקה ערמומית שבה הטבע נאבק בדחיסת החומר הבלתי מוגבלת לכאורה. לשם כך, הוא עוצר את עצם מהלך הזמן בתחום הפעולה של כוחות כבידה ענקיים, והמוני החומר הכבולים, כביכול, כבויים מהיקום שלנו, קפואים בחלום רדום מוזר.
הראשון מבין ה"חורים השחורים" הללו של הקוסמוס כנראה כבר התגלה. על פי ההנחה של המדענים הסובייטים O. Kh Huseynov ו A. Sh Novruzova, זוהי דלתא מזל תאומים - כוכב כפול עם מרכיב אחד בלתי נראה.
למרכיב הגלוי יש מסה של 1.8 שמש, ו"שותפו" הבלתי נראה צריך להיות, על פי חישובים, מסיבי פי ארבעה מזה הנראה לעין. אבל אין לזה עקבות: אי אפשר לראות את היצירה המדהימה ביותר של הטבע, "החור השחור".
המדען הסובייטי פרופסור K.P. Stanyukovich, כמו שאומרים, "על קצה עט", הראה באמצעות מבנים תיאורטיים גרידא שחלקיקים של "חומר קפוא" יכולים להיות מגוונים מאוד בגודלם.
- תצורות הענק שלו אפשריות, בדומה לקוואזרים, המקרינות ברציפות אנרגיה רבה כמו שמקרינים כל 100 מיליארד הכוכבים של הגלקסיה שלנו.
- יתכנו גושים הרבה יותר צנועים, השווים רק לכמה מסות שמש. גם אלה וגם חפצים אחרים יכולים להתעורר בעצמם מחומר רגיל, לא "ישן".
- ואפשרויות תצורות של מעמד שונה לחלוטין, בהתאמה במסה לחלקיקים יסודיים.
על מנת שיקומו, יש צורך קודם כל להכפיף את החומר המרכיב אותם ללחץ עצום ולהסיע אותו אל גבולות תחום השוורצשילד - תחום שבו זמן למתבונן חיצוני נעצר לחלוטין. וגם אם לאחר מכן הלחץ אפילו יוסר, החלקיקים שעבורם נעצר הזמן ימשיכו להתקיים ללא תלות ביקום שלנו.
פלנקונים
פלנקונים הם סוג מאוד מיוחד של חלקיקים. יש להם, לפי ק.פ. סטניוקוביץ', תכונה מעניינת ביותר: הם נושאים חומר בעצמם בצורה ללא שינוי, כפי שהיה לפני מיליוני ומיליארדי שנים. בהסתכלות פנימה של הפלנקאון, יכולנו לראות את החומר כפי שהיה בזמן הולדת היקום שלנו. על פי חישובים תיאורטיים, ישנם כ-1080 פלנקונים ביקום, בקירוב פלנקון אחד בקוביית חלל עם דופן של 10 סנטימטרים. אגב, במקביל לסטניוקוביץ' ו(בלי קשר אליו, השערת הפלקיונים הועלתה על ידי האקדמיה מ.א. מרקוב. רק מרקוב נתן להם שם אחר - מקסימונים.
מאפיינים מיוחדים של פלנקונים יכולים לשמש גם כדי להסביר טרנספורמציות פרדוקסליות לפעמים של חלקיקים אלמנטריים. ידוע שכאשר שני חלקיקים מתנגשים, רסיסים לעולם אינם נוצרים, אלא נוצרים חלקיקים יסודיים אחרים. זה באמת מדהים: בעולם הרגיל, לשבור אגרטל, לעולם לא נקבל כוסות שלמות או אפילו רוזטות. אבל נניח שבעומקו של כל חלקיק יסודי יש פלנקאון, אחד או כמה, ולפעמים הרבה פלקיונים.
ברגע התנגשות החלקיקים, ה"שקית" הקשורה בחוזקה של הפלנקאון נפתחת מעט, חלקיקים "ייפלו" לתוכו, ובמקום "יקפצו החוצה" אלו שלדעתנו התעוררו במהלך ההתנגשות. במקביל, הפלנקיון, כרואה חשבון חרוץ, יבטיח את כל "חוקי השימור" שננקטו בעולם החלקיקים האלמנטריים.
ובכן, מה הקשר למנגנון הכבידה האוניברסלית?
"אחראיים" לכבידה, על פי השערתו של ק.פ. סטניוקוביץ', הם חלקיקים זעירים, מה שנקרא גרביטונים, הנפלטים ברציפות על ידי חלקיקים יסודיים. גרביטונים קטנים בהרבה מהאחרונים, כמו שגרגר אבק שרוקד בקרן שמש קטן יותר מהכדור.
קרינת הגרוויטונים מצייתת למספר חוקיות. בפרט, קל יותר לטוס לאותו אזור בחלל. שמכיל פחות גרביטונים. המשמעות היא שאם יש שני גרמי שמים בחלל, שניהם יקרינו גרביטונים בעיקר "לחוץ", בכיוונים מנוגדים זה לזה. זה יוצר דחף שגורם לגופים להתקרב זה לזה, למשוך זה את זה.