A gravidade é a força mais poderosa do Universo, um dos quatro fundamentos fundamentais do universo, que determina sua estrutura. Uma vez, graças a ela, surgiram planetas, estrelas e galáxias inteiras. Hoje, ele mantém a Terra em órbita em sua jornada interminável ao redor do Sol.
A atração é de grande importância para a vida cotidiana do homem. Graças a esse poder invisível, os oceanos do nosso mundo pulsam, os rios fluem, as gotas de chuva caem no chão. Desde a infância, sentimos o peso do nosso corpo e objetos circunvizinhos. A influência da gravidade em nossa atividade econômica é imensa.
A primeira teoria da gravidade foi criada por Isaac Newton no final do século XVII. Sua Lei do Mundo descreve essa interação dentro da estrutura da mecânica clássica. Mais amplamente, esse fenômeno foi descrito por Einstein em sua teoria geral da relatividade, que foi divulgada no início do século passado. Os processos que ocorrem com o poder das partículas elementares devem explicar a teoria quântica da gravidade, mas ela ainda precisa ser criada.
Hoje sabemos muito mais sobre a natureza da gravidade do que na época de Newton, mas, apesar de séculos de estudo, ela continua sendo um verdadeiro obstáculo para a física moderna. Na teoria da gravidade existente, existem muitos pontos brancos, e nós ainda não entendemos exatamente o que o causa, e como essa interação é transferida. E, claro, estamos muito longe de sermos capazes de controlar a força da gravidade, de modo que a antigravidade ou levitação existirá por muito tempo apenas nas páginas de romances de ficção científica.
O que caiu na cabeça de Newton?
As pessoas pensavam sobre a natureza da força, que atrai objetos para o chão em todos os momentos, mas Isaac Newton conseguiu erguer o véu do segredo apenas no século XVII. A base de sua descoberta colocou os trabalhos de Kepler e Galileu - cientistas brilhantes que estudaram os movimentos dos corpos celestes.
Outro século e meio antes da Lei Newtoniana do Mundo, o astrônomo polonês Copérnico acreditava que a atração é "... nada além da tendência natural com a qual o pai do Universo dotou todas as partículas, a saber, unir-se em um todo, formando corpos esféricos". Descartes considerou a atração como uma consequência de perturbações no éter do mundo. O filósofo e cientista grego Aristóteles estava convencido de que a massa afeta a velocidade da queda dos corpos. E somente Galileu Galilei, no final do século XVI, provou que isso não é verdade: se não há resistência do ar, todos os objetos são acelerados da mesma maneira.
Ao contrário da lenda comum sobre a cabeça e a maçã, Newton foi entender a natureza da gravidade por mais de vinte anos. Sua lei da gravidade é uma das descobertas científicas mais significativas de todos os tempos e povos. É universal e permite calcular as trajetórias dos corpos celestes e descreve com precisão o comportamento dos objetos ao nosso redor. A teoria clássica do céu estabeleceu as bases da mecânica celeste. As três leis de Newton deram aos cientistas a oportunidade de descobrir novos planetas literalmente "na ponta da caneta", afinal, graças a eles, o homem conseguiu superar a gravidade da Terra e voar para o espaço. Eles trouxeram uma estrita base científica sob o conceito filosófico da unidade material do universo, na qual todos os fenômenos naturais são interconectados e controlados por regras físicas gerais.
Newton não apenas publicou uma fórmula para calcular a força que atrai corpos uns aos outros, ele criou um modelo completo, que também incluiu a análise matemática. Estas conclusões teóricas foram repetidamente confirmadas na prática, incluindo o uso dos métodos mais modernos.
Na teoria newtoniana, qualquer objeto material gera um campo de atração, chamado de gravitacional. Além disso, a força é proporcional à massa de ambos os corpos e inversamente proporcional à distância entre eles:
F = (Gm1 m2) / r2
G é a constante gravitacional, que é 6,67 × 10-11 m³ / (kg · s²). Ele foi capaz de calcular Henry Cavendish em 1798.
Na vida cotidiana e nas disciplinas aplicadas, a força com que a terra atrai o corpo é chamada de peso. A atração entre quaisquer dois objetos materiais no Universo é o que a gravidade é em palavras simples.
A força de atração é a mais fraca das quatro interações fundamentais da física, mas graças às suas características é capaz de regular o movimento de sistemas estelares e galáxias:
- A atração funciona a qualquer distância, esta é a principal diferença entre gravidade e interações nucleares fortes e fracas. Com o aumento da distância, sua ação diminui, mas nunca se torna zero, então podemos dizer que até dois átomos em diferentes extremidades da galáxia têm um efeito mútuo. É apenas muito pequeno;
- A gravidade é universal. O campo de atração é inerente a qualquer corpo material. Os cientistas ainda não descobriram em nosso planeta ou no espaço um objeto que não participaria da interação desse tipo, de modo que o papel da gravidade na vida do Universo é enorme. Isso é diferente da interação eletromagnética, cujo efeito nos processos espaciais é mínimo, já que na natureza a maioria dos corpos é eletricamente neutra. Forças gravitacionais não podem ser limitadas ou rastreadas;
- Atua não apenas na matéria, mas também na energia. Para ele, a composição química dos objetos não importa, apenas sua massa desempenha um papel.
Usando a fórmula de Newton, a força de atração pode ser facilmente calculada. Por exemplo, a gravidade da lua é várias vezes menor que a da Terra, porque nosso satélite tem uma massa relativamente pequena. Mas é o suficiente para formar refluxos e fluxos regulares nos oceanos. Na Terra, a aceleração da queda livre é de aproximadamente 9,81 m / s2. E nos pólos, é um pouco maior que no equador.
Apesar da enorme importância para o desenvolvimento da ciência, as leis de Newton tinham vários pontos fracos que não davam descanso aos pesquisadores. Não ficou claro como a gravidade age através de um espaço absolutamente vazio por enormes distâncias e a uma velocidade inconcebível. Além disso, os dados gradualmente começaram a se acumular, contradizendo as leis de Newton: por exemplo, o paradoxo gravitacional ou o deslocamento do periélio de Mercúrio. Tornou-se óbvio que a teoria da agressão universal requer refinamento. Essa honra coube ao brilhante físico alemão Albert Einstein.
Atração e Teoria da Relatividade
A recusa de Newton em discutir a natureza da gravidade ("Eu não invento hipóteses") foi uma fraqueza óbvia de seu conceito. Não surpreendentemente, nos anos seguintes, muitas teorias da gravidade apareceram.
A maioria deles pertencia aos chamados modelos hidrodinâmicos, que tentavam justificar o surgimento de uma interação mecânica de objetos materiais com alguma substância intermediária que possui certas propriedades. Os pesquisadores chamaram de forma diferente: "vácuo", "éter", "fluxo de gravitona", etc. Neste caso, a força de atração entre os corpos surgiu como resultado de uma mudança nessa substância, quando ela foi absorvida por objetos ou fluxos filtrados. Na realidade, todas essas teorias tinham uma séria desvantagem: prever com precisão a dependência da força gravitacional da distância, elas levavam à desaceleração dos corpos que se moviam em relação ao "éter" ou ao "fluxo de gravitons".
Einstein abordou essa questão de um ângulo diferente. Em sua teoria geral da relatividade (GTR), a gravidade é vista não como uma interação de forças, mas como uma propriedade do próprio espaço-tempo. Qualquer objeto que tenha uma massa leva à sua curvatura, o que causa atração. Neste caso, a gravidade é um efeito geométrico, que é considerado no âmbito da geometria não-euclidiana.
Simplificando, o contínuo espaço-tempo afeta a matéria, causando seu movimento. E isso, por sua vez, afeta o espaço, "apontando" como se dobra.
As forças de atração atuam no microcosmo, mas no nível das partículas elementares sua influência, quando comparada à interação eletrostática, é insignificante. Os físicos acreditam que a interação gravitacional não foi inferior aos outros nos primeiros momentos (10 -43 seg.) Após o Big Bang.
Atualmente, o conceito de gravidade, proposto na teoria geral da relatividade, é a principal hipótese de trabalho aceita pela maioria da comunidade científica e confirmada pelos resultados de inúmeras experiências.
Einstein em seu trabalho previu os incríveis efeitos das forças gravitacionais, a maioria dos quais já foi confirmada. Por exemplo, a possibilidade de corpos massivos curvarem raios de luz e até retardarem a passagem do tempo. O último fenômeno é necessariamente levado em conta ao operar sistemas globais de navegação por satélite, como GLONASS e GPS, caso contrário, em poucos dias, o erro seria de dezenas de quilômetros.
Além disso, as conseqüências da teoria de Einstein são os chamados efeitos sutis da gravidade, como o campo magnético-gravitacional e a inércia dos sistemas de referência inercial (também conhecido como efeito Lense-Thirring). Essas manifestações de força são tão fracas que por muito tempo elas não puderam ser detectadas. Somente em 2005, graças à missão exclusiva Gravity Probe B da NASA, o efeito Lense-Thirring foi confirmado.
Radiação gravitacional ou a descoberta mais fundamental dos últimos anos
Ondas gravitacionais são oscilações de uma estrutura geométrica espaço-temporal, propagando-se à velocidade da luz. A existência deste fenômeno também foi prevista por Einstein na relatividade geral, mas devido à fraqueza da força, sua magnitude é muito pequena, portanto não pôde ser detectada por muito tempo. Apenas evidências indiretas falaram em favor da existência de radiação.
Tais ondas geram quaisquer objetos materiais que se movem com aceleração assimétrica. Os cientistas os descrevem como "ondulações no espaço-tempo". As fontes mais poderosas de tal radiação estão colidindo galáxias e sistemas em colapso consistindo de dois objetos. Um exemplo típico do último caso é a fusão de buracos negros ou estrelas de nêutrons. Em tais processos, a radiação gravitacional pode passar mais de 50% da massa total do sistema.
As ondas gravitacionais foram descobertas em 2015 usando dois observatórios do LIGO. Quase imediatamente, este evento recebeu o status de maior descoberta em física nas últimas décadas. Em 2017, o Prêmio Nobel foi concedido por ele. Depois disso, os cientistas conseguiram várias vezes consertar a radiação gravitacional.
Nos anos 70 do século passado - muito antes da confirmação experimental - os cientistas sugeriram o uso de radiação gravitacional para realizar comunicações de longa distância. Sua vantagem inquestionável é a alta capacidade de passar por qualquer substância sem ser absorvida. Mas na atualidade dificilmente é possível, porque existem enormes dificuldades com a geração e recepção dessas ondas. Sim, e o conhecimento real sobre a natureza da gravidade não é suficiente.
Hoje, existem várias instalações em diferentes países ao redor do mundo, similares ao LIGO, e novas estão sendo construídas. É provável que, num futuro próximo, aprendamos mais sobre a radiação gravitacional.
Teorias alternativas da amplitude do mundo e as razões para sua criação
Atualmente, o conceito dominante de gravidade é GR. Ele concorda com todo o conjunto existente de dados e observações experimentais. Ao mesmo tempo, tem um grande número de pontos francamente fracos e pontos controversos, portanto, as tentativas de criar novos modelos que explicam a natureza da gravidade não cessam.
Todas as teorias da percepção mundial que foram desenvolvidas até agora podem ser divididas em vários grupos principais:
- padrão;
- alternativa;
- quantum;
- teoria de campo único.
Tentativas de criar um novo conceito de mundo foram feitas no século XIX. Vários autores incluíram o éter ou a teoria corpuscular da luz. Mas o advento do GR pôs fim a essas explorações. Após sua publicação, o objetivo dos cientistas mudou - agora seus esforços visavam melhorar o modelo de Einstein, incluindo novos fenômenos naturais: o verso das partículas, a expansão do Universo, etc.
No início dos anos 80, os físicos rejeitavam experimentalmente todos os conceitos, exceto aqueles que incluíam o GTR como parte integrante. Neste momento, entrou em voga "teorias de cordas", que parecia muito promissor. Mas uma confirmação experiente dessas hipóteses não foi encontrada. Nas últimas décadas, a ciência atingiu níveis significativos e acumulou uma vasta gama de dados empíricos. Hoje, tentativas de criar teorias alternativas da gravidade são inspiradas principalmente por pesquisas cosmológicas relacionadas a conceitos como "matéria escura", "inflação", "energia escura".
Uma das principais tarefas da física moderna é a unificação de duas direções fundamentais: a teoria quântica e a relatividade geral. Os cientistas procuram associar a atração a outros tipos de interações, criando assim uma "teoria de tudo". Isso é exatamente o que a gravidade quântica está fazendo - um ramo da física que está tentando dar uma descrição quântica da interação gravitacional. Um ramo dessa direção é a teoria da gravidade da malha.
Apesar dos esforços ativos e de longo prazo, essa meta ainda não foi alcançada. E a questão nem está na complexidade dessa tarefa: é simplesmente que a base da teoria quântica e GR são paradigmas completamente diferentes. A mecânica quântica trabalha com sistemas físicos atuando contra o pano de fundo do espaço-tempo ordinário. E na teoria da relatividade, o próprio espaço-tempo é um componente dinâmico, dependendo dos parâmetros dos sistemas clássicos que estão nele.
Juntamente com as hipóteses científicas do mundo, existem também teorias distantes da física moderna. Infelizmente, nos últimos anos, esse "opus" inundou a Internet e as prateleiras das livrarias. Alguns autores de tais obras geralmente informam ao leitor que a gravidade não existe, e as leis de Newton e Einstein são invenções e mistificações.
Um exemplo é o trabalho do "cientista" Nikolai Levashov, que afirma que Newton não descobriu a lei do mundo, e apenas os planetas e nossa lua, a lua, têm força gravitacional no sistema solar. Evidência deste "cientista russo" leva bastante estranho. Um deles é o voo da sonda americana NEAR Shoemaker para o asteróide Eros, que ocorreu em 2000. A ausência de atração entre a sonda e o corpo celeste Levashov considera evidência da falsidade das obras de Newton e da conspiração de físicos que escondem a verdade sobre a gravidade das pessoas.
De fato, a espaçonave completou com sucesso sua missão: primeiro, entrou na órbita do asteroide e fez uma aterrissagem suave em sua superfície.
Gravidade artificial e por que é necessário
Dois conceitos estão associados à gravidade, que, apesar de seu atual status teórico, são bem conhecidos do público em geral. Esta antigravidade e gravidade artificial.
Antigravidade é o processo de neutralizar a força da gravidade, que pode reduzi-lo significativamente ou mesmo substituí-lo por repulsão. Dominar esta tecnologia levaria a uma verdadeira revolução no transporte, na aviação, na exploração do espaço exterior e mudou radicalmente toda a nossa vida. Mas, atualmente, a possibilidade de antigravidade não tem sequer uma confirmação teórica. Além disso, com base no GTR, esse fenômeno não é de todo factível, uma vez que não pode haver massa negativa em nosso Universo. É possível que, no futuro, aprendamos mais sobre a gravidade e aprendamos a construir aeronaves com base nesse princípio.
A gravidade artificial é uma mudança feita pelo homem para a força de gravidade existente. Hoje, não precisamos dessa tecnologia, mas a situação definitivamente mudará após o início das viagens espaciais de longo prazo. E a coisa é nossa fisiologia. O corpo humano, "acostumado" por milhões de anos de evolução à gravidade constante da Terra, é extremamente negativo quanto aos efeitos da gravidade reduzida. Permanecer por muito tempo mesmo nas condições da gravidade lunar (seis vezes mais fraca que a da Terra) pode levar a tristes conseqüências. A ilusão de atração pode ser criada usando outras forças físicas, como a inércia. No entanto, essas opções são complexas e caras. В настоящий момент искусственная гравитация не имеет даже теоретических обоснований, очевидно, что ее возможная практическая реализация - это дело весьма отдаленного будущего.
Сила тяжести - это понятие, известное каждому еще со школьной скамьи. Казалось бы, ученые должны были досконально исследовать этот феномен! Но гравитация так и остается глубочайшей тайной для современной науки. И это можно назвать прекрасным примером того, насколько ограничены знания человека о нашем огромном и замечательном мире.
