Théorie classique de la gravité de Newton. Quelle est la loi de la gravitation universelle : la formule de la grande découverte
Par quelle loi allez-vous me pendre ?
- Et nous pendons tout le monde selon une loi - la loi de la gravitation universelle.
Loi de la gravité
Le phénomène de la gravité est la loi de la gravitation universelle. Deux corps agissent l'un sur l'autre avec une force inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare et directement proportionnelle au produit de leurs masses.
Mathématiquement, on peut exprimer cette grande loi par la formule
La gravité agit sur de vastes distances dans l'univers. Mais Newton a soutenu que tous les objets sont mutuellement attirés. Est-il vrai que deux objets quelconques s'attirent ? Imaginez, on sait que la Terre vous attire assis sur une chaise. Mais avez-vous déjà pensé au fait qu'un ordinateur et une souris s'attirent ? Ou un crayon et un stylo sur la table ? Dans ce cas, nous substituons la masse du stylo, la masse du crayon dans la formule, divisée par le carré de la distance qui les sépare, en tenant compte de la constante gravitationnelle, nous obtenons la force de leur attraction mutuelle. Mais, il sortira si petit (en raison des petites masses du stylo et du crayon) que nous ne sentirons pas sa présence. Une autre chose est quand il s'agit de la Terre et d'une chaise, ou du Soleil et de la Terre. Les masses sont importantes, ce qui signifie que nous pouvons déjà évaluer l'effet de la force.
Pensons à l'accélération en chute libre. C'est le fonctionnement de la loi d'attraction. Sous l'action d'une force, le corps change de vitesse d'autant plus lentement que sa masse est importante. En conséquence, tous les corps tombent sur la Terre avec la même accélération.
Quelle est la cause de ce pouvoir unique invisible ? A ce jour, l'existence d'un champ gravitationnel est connue et prouvée. Vous pouvez en savoir plus sur la nature du champ gravitationnel dans le matériel supplémentaire sur le sujet.
Pensez à ce qu'est la gravité. D'où cela vient-il? Qu'est-ce que cela représente? Après tout, il se peut que la planète regarde le Soleil, voit à quelle distance il est éloigné, calcule l'inverse du carré de la distance conformément à cette loi ?
Direction de la gravité
Il y a deux corps, disons les corps A et B. Le corps A attire le corps B. La force avec laquelle le corps A agit commence sur le corps B et est dirigée vers le corps A. C'est-à-dire qu'il "prend" le corps B et le tire vers lui . Le corps B "fait" la même chose avec le corps A.
Chaque corps est attiré par la terre. La terre "prend" le corps et le tire vers son centre. Par conséquent, cette force sera toujours dirigée verticalement vers le bas, et elle est appliquée depuis le centre de gravité du corps, c'est ce qu'on appelle la gravité.
L'essentiel à retenir
Certaines méthodes d'exploration géologique, la prévision des marées et, plus récemment, le calcul du mouvement des satellites artificiels et des stations interplanétaires. Premier calcul de la position des planètes.
Pouvons-nous mettre en place une telle expérience nous-mêmes, et ne pas deviner si les planètes, les objets sont attirés ?
Une telle expérience directe a fait Cavendish (Henry Cavendish (1731-1810) - physicien et chimiste anglais)à l'aide de l'appareil illustré sur la figure. L'idée était d'accrocher une tige avec deux boules sur un fil de quartz très fin, puis d'amener deux grosses boules de plomb à côté d'eux. L'attraction des boules tordra légèrement le fil - légèrement, car les forces d'attraction entre les objets ordinaires sont très faibles. Avec l'aide d'un tel instrument, Cavendish a pu mesurer directement la force, la distance et la magnitude des deux masses et, ainsi, déterminer constante gravitationnelle G.
La découverte unique de la constante gravitationnelle G, qui caractérise le champ gravitationnel dans l'espace, a permis de déterminer la masse de la Terre, du Soleil et d'autres corps célestes. Par conséquent, Cavendish a qualifié son expérience de "pesée de la Terre".
Fait intéressant, les différentes lois de la physique ont des caractéristiques communes. Passons aux lois de l'électricité (force de Coulomb). Les forces électriques sont également inversement proportionnelles au carré de la distance, mais déjà entre les charges, et la pensée surgit involontairement que ce schéma a une signification profonde. Jusqu'à présent, personne n'a pu présenter la gravité et l'électricité comme deux manifestations différentes d'une même essence.
Ici aussi, la force varie inversement au carré de la distance, mais la différence d'amplitude des forces électriques et des forces gravitationnelles est frappante. En essayant d'établir la nature commune de la pesanteur et de l'électricité, on trouve une telle supériorité des forces électriques sur les forces gravitationnelles qu'il est difficile de croire que les deux ont la même source. Comment peut-on dire que l'un est plus fort que l'autre ? Après tout, tout dépend de la masse et de la charge. En discutant de la force de la gravité, vous n'avez pas le droit de dire: "Prenons une masse de telle ou telle taille", car vous la choisissez vous-même. Mais si nous prenons ce que la nature elle-même nous offre (ses propres chiffres et mesures, qui n'ont rien à voir avec nos pouces, nos années, nos mesures), alors nous pouvons comparer. Nous prendrons une particule élémentaire chargée, comme par exemple un électron. Deux particules élémentaires, deux électrons, du fait de la charge électrique se repoussent avec une force inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare, et du fait de la gravité elles s'attirent à nouveau avec une force inversement proportionnelle au carré de la distance.
Question : Quel est le rapport entre la force gravitationnelle et la force électrique ? La gravitation est liée à la répulsion électrique comme on l'est à un nombre à 42 zéros. C'est profondément déroutant. D'où pourrait venir un si grand nombre ?
Les gens recherchent cet énorme facteur dans d'autres phénomènes naturels. Ils passent par toutes sortes de grands nombres, et si vous voulez un grand nombre, pourquoi ne pas prendre, disons, le rapport du diamètre de l'univers au diamètre d'un proton - étonnamment, c'est aussi un nombre avec 42 zéros. Et ils disent : peut-être que ce coefficient est égal au rapport du diamètre du proton au diamètre de l'univers ? C'est une pensée intéressante, mais à mesure que l'univers s'étend progressivement, la constante de gravité doit également changer. Bien que cette hypothèse n'ait pas encore été réfutée, nous n'avons aucune preuve en sa faveur. Au contraire, certaines preuves suggèrent que la constante de gravité n'a pas changé de cette manière. Ce nombre énorme reste un mystère à ce jour.
Einstein a dû modifier les lois de la gravité conformément aux principes de la relativité. Le premier de ces principes dit que la distance x ne peut pas être surmontée instantanément, alors que selon la théorie de Newton, les forces agissent instantanément. Einstein a dû changer les lois de Newton. Ces changements, les raffinements sont très petits. L'une d'entre elles est la suivante : puisque la lumière a de l'énergie, l'énergie est équivalente à la masse, et toutes les masses s'attirent, la lumière s'attire aussi et, par conséquent, en passant par le Soleil, elle doit être déviée. C'est comme ça que ça se passe en fait. La force de gravité est également légèrement modifiée dans la théorie d'Einstein. Mais ce très léger changement dans la loi de la gravité est juste suffisant pour expliquer certaines des irrégularités apparentes du mouvement de Mercure.
Les phénomènes physiques du microcosme sont soumis à d'autres lois que les phénomènes du monde des grandes échelles. La question se pose : comment la gravité se manifeste-t-elle dans un monde à petite échelle ? La théorie quantique de la gravité y répondra. Mais il n'y a pas encore de théorie quantique de la gravité. Les gens n'ont pas encore réussi à créer une théorie de la gravité qui soit pleinement cohérente avec les principes de la mécanique quantique et avec le principe d'incertitude.
Aristote a affirmé que les objets massifs tombent au sol plus rapidement que les objets légers.
Galilée au début du XVIIe siècle a montré que tous les objets tombent « de la même manière ». Et à peu près au même moment, Kepler s'est demandé ce qui faisait bouger les planètes sur leurs orbites. C'est peut-être du magnétisme ? Isaac Newton, travaillant sur "", a réduit tous ces mouvements à l'action d'une seule force appelée gravité, qui obéit à des lois universelles simples.
Galileo a montré expérimentalement que la trajectoire parcourue par un corps tombant sous l'effet de la gravité est proportionnelle au carré du temps de chute : une boule tombant pendant deux secondes parcourra quatre fois la longueur du même objet pendant une seconde. Galileo a également montré que la vitesse est directement proportionnelle au temps de chute, et il en a déduit que le boulet de canon vole le long d'une trajectoire parabolique - l'un des types de sections coniques, comme les ellipses le long desquelles, selon Kepler, les planètes se déplacent . Mais d'où vient cette connexion ?
Lorsque l'Université de Cambridge a fermé pendant la Grande Peste au milieu des années 1660, Newton est retourné dans la maison familiale et y a formulé sa loi de la gravité, bien qu'il l'ait gardée secrète pendant encore 20 ans. (L'histoire de la pomme tombée n'a pas été entendue jusqu'à ce que l'octogénaire Newton raconte l'histoire après un grand dîner.)
Il a suggéré que tous les objets de l'univers génèrent une force gravitationnelle qui attire d'autres objets (tout comme une pomme est attirée par la Terre), et cette même force gravitationnelle détermine les trajectoires le long desquelles les étoiles, les planètes et les autres corps célestes se déplacent dans l'espace.
À la fin de sa vie, Isaac Newton a raconté comment cela s'était passé : il se promenait dans le verger de pommiers du domaine de ses parents et a soudainement vu la lune dans le ciel de jour. Et juste devant ses yeux, une pomme se détacha de la branche et tomba au sol. Puisque Newton travaillait en même temps sur les lois du mouvement, il savait déjà que la pomme tombait sous l'influence du champ gravitationnel de la Terre. Il savait également que la Lune n'est pas seulement suspendue dans le ciel, mais tourne en orbite autour de la Terre et, par conséquent, une sorte de force agit sur elle, ce qui l'empêche de sortir de son orbite et de s'envoler en ligne droite. , dans un espace ouvert. Puis il lui vint à l'esprit que c'est peut-être la même force qui fait tomber à la fois la pomme sur la terre et la lune pour rester en orbite autour de la terre.
Loi du carré inverse
Newton a pu calculer la magnitude de l'accélération de la Lune sous l'influence de la gravité terrestre et a constaté qu'elle est des milliers de fois inférieure à l'accélération des objets (la même pomme) près de la Terre. Comment est-ce possible s'ils se déplacent sous l'influence de la même force ?
L'explication de Newton était que la gravité s'affaiblit avec la distance. Un objet à la surface de la Terre est 60 fois plus proche du centre de la planète que la Lune. L'attraction dans l'orbite de la lune est de 1/3600, ou 1/602, de ce qui agit sur la pomme. Ainsi, la force d'attraction entre deux objets - que ce soit la Terre et une pomme, la Terre et la Lune, ou le Soleil et une comète - est inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Doublez la distance et la force est réduite d'un facteur quatre, triplez-la - la force devient neuf fois moindre, etc.. La force dépend aussi des masses des objets - plus la masse est grande, plus la gravité est forte.
La loi de la gravitation universelle peut s'écrire sous la forme :
F = G(Mm/r2).
Où : La force gravitationnelle est égale au produit de la plus grande masse M et moins de poids m divisé par le carré de la distance qui les sépare r2 et multiplié par la constante gravitationnelle, notée par une lettre majuscule g(minuscule g désigne l'accélération causée par la gravité).
Cette constante détermine l'attraction entre deux masses quelconques n'importe où dans l'univers. En 1789, il servait à calculer la masse de la Terre (6 1024 kg). Les lois de Newton sont merveilleuses pour prédire les forces et les mouvements dans un système de deux objets. Mais lorsqu'on en ajoute un troisième, tout devient beaucoup plus compliqué et conduit (au bout de 300 ans) aux mathématiques du chaos.
« Physique - 10e année "
Pourquoi la lune tourne-t-elle autour de la terre ?
Que se passe-t-il si la lune s'arrête ?
Pourquoi les planètes tournent-elles autour du soleil ?
Dans le chapitre 1, il a été expliqué en détail que le globe donne la même accélération à tous les corps proches de la surface de la Terre - l'accélération de la chute libre. Mais si le globe donne une accélération au corps, alors, selon la deuxième loi de Newton, il agit sur le corps avec une certaine force. La force avec laquelle la terre agit sur le corps s'appelle la gravité. Trouvons d'abord cette force, puis considérons la force de gravitation universelle.
L'accélération modulo est déterminée à partir de la deuxième loi de Newton :
Dans le cas général, cela dépend de la force agissant sur le corps et de sa masse. Puisque l'accélération de la chute libre ne dépend pas de la masse, il est clair que la force de gravité doit être proportionnelle à la masse :
La grandeur physique est l'accélération de la chute libre, elle est constante pour tous les corps.
Sur la base de la formule F = mg, vous pouvez spécifier une méthode simple et pratique pour mesurer les masses des corps en comparant la masse d'un corps donné avec l'unité de masse standard. Le rapport des masses de deux corps est égal au rapport des forces de gravité agissant sur les corps :
Cela signifie que les masses des corps sont les mêmes si les forces de gravité agissant sur eux sont les mêmes.
C'est la base de la détermination des masses par pesée sur une balance à ressort ou à balancier. En veillant à ce que la force de pression du corps sur la balance, égale à la force de gravité appliquée au corps, soit équilibrée par la force de pression des poids sur les autres balances, égale à la force de gravité appliquée aux poids , nous déterminons ainsi la masse du corps.
La force de gravité agissant sur un corps donné près de la Terre ne peut être considérée comme constante qu'à une certaine latitude près de la surface de la Terre. Si le corps est soulevé ou déplacé vers un endroit avec une latitude différente, alors l'accélération de la chute libre, et donc la force de gravité, changera.
La force de gravité.
Newton a été le premier à prouver rigoureusement que la raison qui provoque la chute d'une pierre sur la Terre, le mouvement de la Lune autour de la Terre et des planètes autour du Soleil, est la même. il force gravitationnelle agissant entre tous les corps de l'Univers.
Newton est arrivé à la conclusion que s'il n'y avait pas de résistance de l'air, la trajectoire d'une pierre lancée d'une haute montagne (Fig. 3.1) avec une certaine vitesse pourrait devenir telle qu'elle n'atteindrait jamais la surface de la Terre, mais le ferait déplacez-vous autour de lui comme la façon dont les planètes décrivent leurs orbites dans le ciel.
Newton a trouvé cette raison et a pu l'exprimer avec précision sous la forme d'une formule - la loi de la gravitation universelle.
Puisque la force de gravitation universelle communique la même accélération à tous les corps, quelle que soit leur masse, elle doit être proportionnelle à la masse du corps sur lequel elle agit :
"La gravité existe pour tous les corps en général et est proportionnelle à la masse de chacun d'eux... toutes les planètes gravitent les unes vers les autres..." I. Newton
Mais puisque, par exemple, la Terre agit sur la Lune avec une force proportionnelle à la masse de la Lune, alors la Lune, selon la troisième loi de Newton, doit agir sur la Terre avec la même force. De plus, cette force doit être proportionnelle à la masse de la Terre. Si la force gravitationnelle est vraiment universelle, alors du côté d'un corps donné tout autre corps doit être soumis à une force proportionnelle à la masse de cet autre corps. Par conséquent, la force de gravitation universelle doit être proportionnelle au produit des masses des corps en interaction. De là découle la formulation de la loi de la gravitation universelle.
Loi de la gravité:
La force d'attraction mutuelle de deux corps est directement proportionnelle au produit des masses de ces corps et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare :
Le facteur de proportionnalité G est appelé constante gravitationnelle.
La constante gravitationnelle est numériquement égale à la force d'attraction entre deux points matériels d'une masse de 1 kg chacun, si la distance entre eux est de 1 m. Après tout, avec des masses m 1 \u003d m 2 \u003d 1 kg et une distance r \u003d 1 m, on obtient G \u003d F (numériquement).
Il faut garder à l'esprit que la loi de la gravitation universelle (3.4) en tant que loi universelle est valable pour les points matériels. Dans ce cas, les forces d'interaction gravitationnelle sont dirigées le long de la ligne reliant ces points (Fig. 3.2, a).
On peut montrer que des corps homogènes ayant la forme d'une boule (même s'ils ne peuvent pas être considérés comme des points matériels, Fig. 3.2, b) interagissent également avec la force définie par la formule (3.4). Dans ce cas, r est la distance entre les centres des boules. Les forces d'attraction mutuelle se situent sur une ligne droite passant par les centres des boules. De telles forces sont appelées central. Les corps dont on considère habituellement la chute vers la Terre sont beaucoup plus petits que le rayon de la Terre (R ≈ 6400 km).
De tels corps, quelle que soit leur forme, peuvent être considérés comme des points matériels et la force de leur attraction vers la Terre peut être déterminée à l'aide de la loi (3.4), en gardant à l'esprit que r est la distance du corps donné au centre du Terre.
Une pierre lancée sur la Terre s'écartera sous l'action de la gravité d'une trajectoire rectiligne et, ayant décrit une trajectoire courbe, tombera finalement sur la Terre. Si vous le lancez avec plus de vitesse, il tombera plus loin. I. Newton
Définition de la constante gravitationnelle.
Voyons maintenant comment vous pouvez trouver la constante gravitationnelle. Tout d'abord, notez que G a un nom spécifique. Cela est dû au fait que les unités (et, par conséquent, les noms) de toutes les quantités incluses dans la loi de la gravitation universelle ont déjà été établies plus tôt. La loi de la gravitation donne une nouvelle connexion entre les quantités connues avec certains noms d'unités. C'est pourquoi le coefficient s'avère être une valeur nommée. En utilisant la formule de la loi de la gravitation universelle, il est facile de trouver le nom de l'unité de constante gravitationnelle en SI: N m 2 / kg 2 \u003d m 3 / (kg s 2).
Pour quantifier G, il est nécessaire de déterminer indépendamment toutes les grandeurs incluses dans la loi de la gravitation universelle : à la fois les masses, la force et la distance entre les corps.
La difficulté réside dans le fait que les forces gravitationnelles entre corps de petites masses sont extrêmement faibles. C'est pour cette raison que nous ne remarquons pas l'attraction de notre corps vers les objets environnants et l'attraction mutuelle des objets les uns vers les autres, bien que les forces gravitationnelles soient les plus universelles de toutes les forces de la nature. Deux personnes pesant 60 kg à une distance de 1 m l'une de l'autre sont attirées avec une force d'environ 10 -9 N seulement. Par conséquent, pour mesurer la constante gravitationnelle, des expériences assez subtiles sont nécessaires.
La constante gravitationnelle a été mesurée pour la première fois par le physicien anglais G. Cavendish en 1798 à l'aide d'un appareil appelé balance de torsion. Le schéma de l'équilibre de torsion est illustré à la figure 3.3. Une bascule légère avec deux poids identiques aux extrémités est suspendue à un fin fil élastique. Deux boules lourdes sont fixées immobiles à proximité. Les forces gravitationnelles agissent entre les poids et les balles immobiles. Sous l'influence de ces forces, la bascule tourne et tord le fil jusqu'à ce que la force élastique résultante devienne égale à la force gravitationnelle. L'angle de torsion peut être utilisé pour déterminer la force d'attraction. Pour ce faire, il vous suffit de connaître les propriétés élastiques du fil. Les masses des corps sont connues et la distance entre les centres des corps en interaction peut être mesurée directement.
A partir de ces expériences, la valeur suivante pour la constante gravitationnelle a été obtenue :
G \u003d 6,67 10 -11 N·m 2 / kg 2.
Seulement dans le cas où des corps de masses énormes interagissent (ou du moins la masse de l'un des corps est très grande), la force gravitationnelle atteint une grande valeur. Par exemple, la Terre et la Lune sont attirées l'une vers l'autre avec une force F ≈ 2 10 20 N.
Dépendance de l'accélération de la chute libre des corps sur la latitude géographique.
L'une des raisons de l'augmentation de l'accélération de la chute libre lors du déplacement du point où se trouve le corps de l'équateur aux pôles est que le globe est quelque peu aplati aux pôles et la distance entre le centre de la Terre et sa surface aux pôles est moindre qu'à l'équateur. Une autre raison est la rotation de la Terre.
Égalité des masses inertielles et gravitationnelles.
La propriété la plus frappante des forces gravitationnelles est qu'elles confèrent la même accélération à tous les corps, quelle que soit leur masse. Que diriez-vous d'un joueur de football dont le coup de pied accélérerait à la fois un ballon en cuir ordinaire et un poids de deux livres ? Tout le monde dira que c'est impossible. Mais la Terre est juste un tel "joueur de football extraordinaire", avec la seule différence que son effet sur les corps n'a pas le caractère d'un impact à court terme, mais se poursuit continuellement pendant des milliards d'années.
Dans la théorie de Newton, la masse est la source du champ gravitationnel. Nous sommes dans le champ gravitationnel de la Terre. En même temps, nous sommes également des sources du champ gravitationnel, mais du fait que notre masse est nettement inférieure à la masse de la Terre, notre champ est beaucoup plus faible et les objets environnants n'y réagissent pas.
La propriété inhabituelle des forces gravitationnelles, comme nous l'avons déjà dit, s'explique par le fait que ces forces sont proportionnelles aux masses des deux corps en interaction. La masse du corps, qui est incluse dans la deuxième loi de Newton, détermine les propriétés inertielles du corps, c'est-à-dire sa capacité à acquérir une certaine accélération sous l'action d'une force donnée. il masse d'inertie m et.
Il semblerait, quel rapport cela peut-il avoir avec la capacité des corps à s'attirer les uns les autres ? La masse qui détermine la capacité des corps à s'attirer est la masse gravitationnelle m r .
Il ne résulte pas du tout de la mécanique newtonienne que les masses inertielle et gravitationnelle soient les mêmes, c'est-à-dire que
m et = m r . (3.5)
L'égalité (3.5) est une conséquence directe de l'expérience. Cela signifie que l'on peut simplement parler de la masse d'un corps comme d'une mesure quantitative de ses propriétés inertielles et gravitationnelles.
Non seulement le plus mystérieux forces de la nature mais aussi le plus puissant.
L'homme sur le chemin du progrès
Historiquement, il a été Humain au fur et à mesure que vous avancez chemins de progrès maîtrisé les forces de plus en plus puissantes de la nature. Il a commencé alors qu'il n'avait rien d'autre qu'un bâton dans le poing et sa propre force physique.
Mais il était sage, et il a mis la force physique des animaux à son service, les rendant domestiques. Le cheval accélérait sa course, le chameau rendait le désert praticable, l'éléphant la jungle marécageuse. Mais les forces physiques des animaux, même les plus forts, sont incommensurablement petites comparées aux forces de la nature.
La première personne a subjugué l'élément feu, mais seulement dans ses versions les plus affaiblies. Au départ - pendant de nombreux siècles - il n'utilisait que du bois comme combustible - un type de combustible à très faible consommation d'énergie. Un peu plus tard, il a appris à utiliser l'énergie éolienne à partir de cette source d'énergie, un homme a levé l'aile blanche de la voile dans les airs - et un navire léger a volé comme un oiseau au-dessus des vagues.
Voilier sur les flots
Il a exposé les pales du moulin à vent aux rafales de vent - et les lourdes pierres des meules ont tourné, les pilons des gruaux ont secoué. Mais il est clair pour tout le monde que l'énergie des jets d'air est loin d'être concentrée. De plus, la voile et le moulin à vent avaient peur des coups de vent: la tempête a déchiré les voiles et coulé les navires, la tempête a brisé les ailes et renversé les moulins.
Même plus tard, l'homme a commencé à conquérir l'eau qui coule. La roue est non seulement le plus primitif des dispositifs capables de convertir l'énergie de l'eau en mouvement de rotation, mais aussi le plus sous-alimenté par rapport à d'autres.
L'homme avançait sur l'échelle du progrès et avait besoin de plus en plus d'énergie.
Il a commencé à utiliser de nouveaux types de combustibles - déjà la transition vers la combustion du charbon a augmenté l'intensité énergétique d'un kilogramme de combustible de 2500 kcal à 7000 kcal - presque trois fois. Puis vint le temps du pétrole et du gaz. Encore une fois, le contenu énergétique de chaque kilogramme de combustibles fossiles a augmenté d'une fois et demie à deux fois.
Les machines à vapeur ont été remplacées par des turbines à vapeur; les roues du moulin ont été remplacées par des turbines hydrauliques. Puis l'homme tendit la main vers l'atome d'uranium fissile. Cependant, la première utilisation d'un nouveau type d'énergie a eu des conséquences tragiques - la flamme nucléaire d'Hiroshima en 1945 a incinéré 70 000 cœurs humains en quelques minutes.
En 1954, la première centrale nucléaire soviétique au monde est entrée en service, transformant la puissance de l'uranium en puissance rayonnante du courant électrique. Et il convient de noter qu'un kilogramme d'uranium contient deux millions de fois plus d'énergie qu'un kilogramme du meilleur pétrole.
C'était un feu fondamentalement nouveau, que l'on pourrait qualifier de physique, car ce sont des physiciens qui ont étudié les processus conduisant à la naissance de ces quantités fabuleuses d'énergie.
L'uranium n'est pas le seul combustible nucléaire. Un type de carburant plus puissant est déjà utilisé - les isotopes de l'hydrogène.
Malheureusement, l'homme n'a pas encore réussi à maîtriser la flamme nucléaire hydrogène-hélium. Il sait comment allumer momentanément son feu brûlant, mettant le feu à la réaction d'une bombe à hydrogène avec un éclair d'explosion d'uranium. Mais de plus en plus près, les scientifiques voient un réacteur à hydrogène, qui générera un courant électrique à la suite de la fusion de noyaux d'isotopes d'hydrogène en noyaux d'hélium.
Encore une fois, la quantité d'énergie qu'une personne peut tirer de chaque kilogramme de carburant sera presque décuplé. Mais cette étape sera-t-elle la dernière dans l'histoire à venir du pouvoir humain sur les forces de la nature ?
Pas! Ahead - la maîtrise de la forme d'énergie gravitationnelle. Elle est encore plus prudemment emballée par nature que même l'énergie de la fusion hydrogène-hélium. Aujourd'hui, c'est la forme d'énergie la plus concentrée qu'une personne puisse même deviner.
Rien de plus n'est encore visible là-bas, au-delà de la pointe de la science. Et bien que nous puissions dire avec confiance que les centrales électriques fonctionneront pour une personne, transformant l'énergie gravitationnelle en courant électrique (ou peut-être en un flux de gaz sortant d'une tuyère de moteur à réaction, ou en la transformation planifiée des atomes omniprésents de silicium et d'oxygène en atomes de métaux ultra-rares), on ne peut encore rien dire sur les détails d'une telle centrale (moteur-fusée, réacteur physique).
La force de gravitation universelle à l'origine de la naissance des galaxies
La force de gravitation universelle est à l'origine de la naissance des galaxies de la matière préstellaire, comme en est convaincu l'académicien V.A. Ambartsumyan. Il éteint également les étoiles qui ont brûlé leur temps, ayant dépensé le carburant stellaire qui leur a été attribué à la naissance.
Oui, regardez autour de vous : tout sur Terre est largement contrôlé par cette force.
C'est elle qui détermine la structure en couches de notre planète - l'alternance de la lithosphère, de l'hydrosphère et de l'atmosphère. C'est elle qui garde une épaisse couche de gaz de l'air, au fond de laquelle et grâce à laquelle nous existons tous.
S'il n'y avait pas de gravité, la Terre sortirait immédiatement de son orbite autour du Soleil et le globe lui-même s'effondrerait, déchiré par les forces centrifuges. Il est difficile de trouver quoi que ce soit qui ne soit, à un degré ou à un autre, dépendant de la force de gravitation universelle.
Bien sûr, les anciens philosophes, gens très observateurs, ne pouvaient manquer de remarquer qu'une pierre lancée vers le haut revient toujours. Platon au IVe siècle av. J.-C. l'a expliqué par le fait que toutes les substances de l'univers tendent là où se concentrent la plupart des substances similaires : une pierre lancée tombe au sol ou va au fond, l'eau déversée s'infiltre dans l'étang le plus proche ou dans une rivière qui se dirige vers la mer, la fumée d'un incendie se précipite vers ses nuages apparentés.
Un étudiant de Platon, Aristote, a précisé que tous les corps ont des propriétés particulières de lourdeur et de légèreté. Les corps lourds - pierres, métaux - se précipitent vers le centre de l'univers, la lumière - feu, fumée, vapeurs - vers la périphérie. Cette hypothèse, qui explique certains des phénomènes associés à la force de gravitation universelle, existe depuis plus de 2 mille ans.
Scientifiques sur la force de gravité
Probablement le premier à soulever la question de la force de la gravité vraiment scientifique, était le génie de la Renaissance - Léonard de Vinci. Léonard a proclamé que la gravitation n'est pas seulement caractéristique de la Terre, qu'il existe de nombreux centres de gravité. Et il a également suggéré que la force de gravité dépend de la distance au centre de gravité.
Les travaux de Copernic, Galilée, Kepler, Robert Hooke se sont rapprochés de plus en plus de l'idée de la loi de la gravitation universelle, mais dans sa formulation finale cette loi est à jamais associée au nom d'Isaac Newton.
Isaac Newton sur la force de gravité
Né le 4 janvier 1643. Il est diplômé de l'Université de Cambridge, est devenu un baccalauréat, puis - une maîtrise en sciences.
Isaac Newton Tout ce qui suit est une richesse inépuisable de travaux scientifiques. Mais son ouvrage principal est les "Principes mathématiques de la philosophie naturelle", publiés en 1687 et généralement appelés simplement "Beginnings". C'est en eux que se formule le grand. Probablement tout le monde se souvient de lui depuis le lycée.
Tous les corps sont attirés les uns vers les autres avec une force qui est directement proportionnelle au produit des masses de ces corps et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare...
Certaines dispositions de cette formulation pouvaient être anticipées par les prédécesseurs de Newton, mais elle n'a encore été donnée à personne dans son intégralité. Le génie de Newton a été nécessaire pour assembler ces fragments en un seul ensemble afin de répandre l'attraction de la Terre sur la Lune et le Soleil - sur l'ensemble du système planétaire.
De la loi de la gravitation universelle, Newton a dérivé toutes les lois du mouvement des planètes, découvertes auparavant par Kepler. Ils n'en étaient que les conséquences. De plus, Newton a montré que non seulement les lois de Kepler, mais aussi les écarts par rapport à ces lois (dans le monde de trois corps ou plus) sont le résultat de la gravitation universelle... Ce fut un grand triomphe de la science.
Il semblait que la force principale de la nature, qui déplace les mondes, était enfin découverte et décrite mathématiquement, la force à laquelle les molécules d'air, les pommes et le soleil sont soumis. Géant, incommensurablement immense fut le pas franchi par Newton.
Le premier vulgarisateur des travaux d'un brillant scientifique, l'écrivain français François Marie Arouet, mondialement connu sous le pseudonyme de Voltaire, a déclaré que Newton avait soudainement deviné l'existence d'une loi portant son nom en regardant une pomme qui tombait.
Newton lui-même n'a jamais mentionné cette pomme. Et cela ne vaut guère la peine de s'attarder aujourd'hui sur la réfutation de cette belle légende. Et, apparemment, Newton en est venu à comprendre la grande puissance de la nature par un raisonnement logique. Il est probable qu'il ait été inclus dans le chapitre correspondant des "Débuts".
La force de gravité affecte le vol du noyau
Supposons que sur une très haute montagne, si haute que son sommet soit déjà hors de l'atmosphère, nous ayons dressé une gigantesque pièce d'artillerie. Son canon était placé strictement parallèlement à la surface du globe et tiré. Description de l'arc le noyau tombe au sol.
Nous augmentons la charge, améliorons la qualité de la poudre à canon, d'une manière ou d'une autre, nous faisons bouger le noyau à une vitesse plus élevée après le prochain tir. L'arc décrit par le noyau devient plus plat. Le noyau tombe beaucoup plus loin du pied de notre montagne.
Nous augmentons également la charge et tirons. Le noyau vole le long d'une trajectoire si douce qu'il descend parallèlement à la surface du globe. Le noyau ne peut plus tomber sur la Terre : avec la même vitesse à laquelle il tombe, la Terre s'échappe de dessous. Et, après avoir décrit l'anneau autour de notre planète, le noyau revient au point de départ.
Le pistolet peut être retiré entre-temps. Après tout, le vol du noyau autour du globe prendra plus d'une heure. Et puis le noyau balayera rapidement le sommet de la montagne et ira dans un nouveau cercle autour de la Terre. Chute, si, comme nous en avons convenu, le noyau ne subit aucune résistance à l'air, il ne pourra jamais le faire.
La vitesse de base pour cela devrait être proche de 8 km/sec. Et si vous augmentiez la vitesse de vol du noyau ? Il volera d'abord en arc de cercle, plus doux que la courbure de la surface terrestre, et commencera à s'éloigner de la Terre. Dans le même temps, sa vitesse sous l'influence de la gravité terrestre diminuera.
Et, enfin, en se retournant, il commencera, pour ainsi dire, à retomber sur la Terre, mais il passera devant elle et ne fera plus un cercle, mais une ellipse. Le noyau se déplacera autour de la Terre exactement de la même manière que la Terre se déplace autour du Soleil, à savoir le long d'une ellipse, dans l'un des foyers de laquelle se situera le centre de notre planète.
Si nous augmentons encore la vitesse initiale du noyau, l'ellipse se révélera plus étirée. Il est possible d'étirer cette ellipse de manière à ce que le noyau atteigne l'orbite lunaire ou même beaucoup plus loin. Mais tant que la vitesse initiale de ce noyau ne dépassera pas 11,2 km/s, il restera un satellite de la Terre.
Le noyau, qui a reçu une vitesse de plus de 11,2 km / s lors du tir, s'envolera à jamais de la Terre le long d'une trajectoire parabolique. Si une ellipse est une courbe fermée, alors une parabole est une courbe qui a deux branches allant vers l'infini. En se déplaçant le long d'une ellipse, aussi allongée soit-elle, on reviendra inévitablement systématiquement au point de départ. En se déplaçant le long d'une parabole, nous ne reviendrons jamais au point de départ.
Mais, ayant quitté la Terre à cette vitesse, le noyau ne pourra pas encore voler à l'infini. La puissante gravitation du Soleil va courber la trajectoire de son vol, se refermer sur lui-même comme la trajectoire d'une planète. Le noyau deviendra la sœur de la Terre, une petite planète dans notre propre famille de planètes.
Afin d'orienter le noyau hors du système planétaire, pour vaincre l'attraction solaire, il faut lui indiquer une vitesse supérieure à 16,7 km/s, et l'orienter de manière à ce que la vitesse du mouvement propre de la Terre s'ajoute à cette vitesse .
Une vitesse d'environ 8 km/s (cette vitesse dépend de la hauteur de la montagne d'où notre canon tire) est appelée vitesse circulaire, les vitesses de 8 à 11,2 km/s sont elliptiques, de 11,2 à 16,7 km/s sont paraboliques, et au-dessus de ce nombre - des vitesses libératrices.
Ici, il convient d'ajouter que les valeurs données de ces vitesses ne sont valables que pour la Terre. Si nous vivions sur Mars, la vitesse circulaire serait beaucoup plus facile à atteindre - elle n'est que d'environ 3,6 km / s là-bas et la vitesse parabolique n'est que légèrement supérieure à 5 km / s.
En revanche, il serait bien plus difficile d'envoyer le noyau en vol spatial depuis Jupiter que depuis la Terre : la vitesse circulaire sur cette planète est de 42,2 km/s, et la vitesse parabolique est même de 61,8 km/s !
Il serait très difficile pour les habitants du Soleil de quitter leur monde (si, bien sûr, cela pouvait exister). La vitesse circulaire de ce géant devrait être de 437,6 et la vitesse de séparation - 618,8 km / s!
Ainsi Newton à la fin du XVIIe siècle, cent ans avant le premier vol de la montgolfière gonflée d'air chaud par les frères Montgolfier, deux cents ans avant les premiers vols de l'avion des frères Wright, et près d'un quart d'un millénaire avant le décollage des premières fusées à liquide, a ouvert la voie vers le ciel pour les satellites et les vaisseaux spatiaux.
La force de gravité est inhérente à chaque sphère
En utilisant loi de la gravité des planètes inconnues ont été découvertes, des hypothèses cosmogoniques sur l'origine du système solaire ont été créées. La principale force de la nature, qui contrôle les étoiles, les planètes, les pommes dans le jardin et les molécules de gaz dans l'atmosphère, a été découverte et décrite mathématiquement.
Mais nous ne connaissons pas le mécanisme de la gravitation universelle. La gravitation newtonienne n'explique pas, mais représente visuellement l'état actuel du mouvement planétaire.
Nous ne savons pas ce qui cause l'interaction de tous les corps de l'Univers. Et on ne peut pas dire que Newton n'était pas intéressé par cette raison. Pendant de nombreuses années, il a réfléchi à son mécanisme possible.
Soit dit en passant, c'est en effet un pouvoir extrêmement mystérieux. Une force qui se manifeste à travers des centaines de millions de kilomètres d'espace, dépourvus de toute formation matérielle à première vue, à l'aide desquels on pourrait expliquer le transfert d'interaction.
Les hypothèses de Newton
Et Newton eu recours à hypothèse sur l'existence d'un certain éther qui remplit prétendument l'univers entier. En 1675, il expliqua l'attraction de la Terre par le fait que l'éther remplissant tout l'Univers se précipite vers le centre de la Terre en flots continus, capturant tous les objets dans ce mouvement et créant une force gravitationnelle. Le même flux d'éther se précipite vers le Soleil et, entraînant les planètes, les comètes, assure leurs trajectoires elliptiques...
Ce n'était pas une hypothèse très convaincante, bien qu'absolument mathématiquement logique. Mais maintenant, en 1679, Newton a créé une nouvelle hypothèse expliquant le mécanisme de la gravité. Cette fois, il dote l'éther de la propriété d'avoir une concentration différente près des planètes et loin d'elles. Plus on s'éloigne du centre de la planète, plus l'éther est censé être dense. Et il a la propriété de presser tous les corps matériels de leurs couches les plus denses vers des couches moins denses. Et tous les corps sont pressés à la surface de la Terre.
En 1706, Newton nie catégoriquement l'existence même de l'éther. En 1717, il revient à nouveau sur l'hypothèse de l'extraction de l'éther.
L'ingénieux cerveau de Newton s'est disputé la solution du grand mystère et ne l'a pas trouvée. Cela explique un lancer si net d'un côté à l'autre. Newton disait :
Je ne fais pas d'hypothèses.
Et bien que, comme nous n'avons pu que le vérifier, cela ne soit pas tout à fait vrai, nous pouvons certainement affirmer autre chose : Newton a pu clairement distinguer les choses indiscutables des hypothèses instables et controversées. Et dans les Éléments, il y a une formule de la grande loi, mais il n'y a aucune tentative d'expliquer son mécanisme.
Le grand physicien a légué cette énigme à l'homme du futur. Il mourut en 1727.
Il n'a pas été résolu même aujourd'hui.
La discussion sur l'essence physique de la loi de Newton a duré deux siècles. Et peut-être cette discussion ne porterait-elle pas sur l'essence même de la loi, s'il répondait exactement à toutes les questions qui lui étaient posées.
Mais le fait est qu'avec le temps, il s'est avéré que cette loi n'est pas universelle. Qu'il y a des cas où il ne peut pas expliquer tel ou tel phénomène. Donnons des exemples.
La force de gravité dans les calculs de Seeliger
Le premier d'entre eux est le paradoxe de Seeliger. Considérant que l'Univers est infini et uniformément rempli de matière, Seeliger a tenté de calculer, selon la loi de Newton, la force gravitationnelle universelle créée par toute la masse infiniment grande de l'Univers infini en un point de celui-ci.
Ce n'était pas une tâche facile du point de vue des mathématiques pures. Ayant surmonté toutes les difficultés des transformations les plus complexes, Seeliger a constaté que la force de gravitation universelle souhaitée est proportionnelle au rayon de l'Univers. Et puisque ce rayon est égal à l'infini, alors la force gravitationnelle doit être infiniment grande. Cependant, nous ne voyons pas cela dans la pratique. Cela signifie que la loi de la gravitation universelle ne s'applique pas à l'univers entier.
Cependant, d'autres explications du paradoxe sont également possibles. Par exemple, nous pouvons supposer que la matière ne remplit pas uniformément tout l'Univers, mais sa densité diminue progressivement et, finalement, quelque part très loin, il n'y a plus de matière du tout. Mais imaginer un tel tableau signifie admettre la possibilité de l'existence d'un espace sans matière, ce qui est généralement absurde.
On peut supposer que la force de gravité s'affaiblit plus vite que le carré de la distance n'augmente. Mais cela jette un doute sur la surprenante harmonie de la loi de Newton. Non, et cette explication n'a pas satisfait les scientifiques. Le paradoxe est resté un paradoxe.
Observations du mouvement de Mercure
Un autre fait, l'action de la force de gravitation universelle, non expliquée par la loi de Newton, a amené observation du mouvement de Mercure- le plus proche de la planète. Des calculs exacts selon la loi de Newton ont montré que le péréhélie - le point de l'ellipse le long duquel Mercure se rapproche le plus du Soleil - devrait se déplacer de 531 secondes d'arc en 100 ans.
Et les astronomes ont trouvé que ce décalage est égal à 573 secondes d'arc. Cet excès - 42 secondes d'arc - n'a pas non plus pu être expliqué par les scientifiques, en utilisant uniquement des formules issues de la loi de Newton.
Il a expliqué à la fois le paradoxe de Seeliger et le déplacement du perhélion de Mercure, ainsi que de nombreux autres phénomènes paradoxaux et faits inexplicables. Albert Einstein, l'un des plus grands, sinon le plus grand physicien de tous les temps. Parmi les petites choses ennuyeuses figurait la question de vent éthéré.
Expériences d'Albert Michelson
Il semblait que cette question ne concernait pas directement le problème de la gravitation. Il était lié à l'optique, à la lumière. Plus précisément, à la définition de sa vitesse.
L'astronome danois a été le premier à déterminer la vitesse de la lumière. Olaf Remer regarder l'éclipse des lunes de Jupiter. Cela s'est produit dès 1675.
physicien américain Albert Michelsonà la fin du XVIIIe siècle, il effectue une série de déterminations de la vitesse de la lumière dans des conditions terrestres, à l'aide de l'appareil qu'il a conçu.
En 1927, il donna la vitesse de la lumière à 299796 + 4 km/s, ce qui était une excellente précision pour l'époque. Mais l'essence de la question est différente. En 1880, il décida d'étudier le vent éthéré. Il voulait enfin établir l'existence de cet éther même, par la présence duquel ils tentaient d'expliquer à la fois la transmission de l'interaction gravitationnelle et la transmission des ondes lumineuses.
Michelson était probablement l'expérimentateur le plus remarquable de son temps. Il avait un excellent équipement. Et il était presque sûr du succès.
Essence d'expérience
De l'expérience a été conçu comme ça. La terre se déplace sur son orbite à une vitesse d'environ 30 km/sec.. Se déplace dans les airs. Cela signifie que la vitesse de la lumière provenant d'une source située devant le récepteur par rapport au mouvement de la Terre doit être supérieure à celle provenant d'une source située de l'autre côté. Dans le premier cas, la vitesse du vent éthéré doit être ajoutée à la vitesse de la lumière ; dans le second cas, la vitesse de la lumière doit diminuer de cette valeur.
Bien sûr, la vitesse de la Terre sur son orbite autour du Soleil n'est que d'un dix millième de la vitesse de la lumière. Trouver un si petit terme est très difficile, mais Michelson a été appelé le roi de la précision pour une raison. Il a utilisé un moyen ingénieux pour saisir la différence "insaisissable" dans les vitesses des rayons de lumière.
Il a divisé le faisceau en deux flux égaux et les a dirigés dans des directions mutuellement perpendiculaires : le long du méridien et le long du parallèle. Réfléchis par les miroirs, les rayons revenaient. Si le faisceau passant le long de la parallèle subissait l'influence du vent éthéré, lorsqu'il s'ajoutait au faisceau méridien, des franges d'interférence auraient dû apparaître, les ondes des deux faisceaux auraient été déphasées.
Cependant, il était difficile pour Michelson de mesurer les trajectoires des deux rayons avec une telle précision pour qu'ils soient exactement les mêmes. Par conséquent, il a construit l'appareil de manière à ce qu'il n'y ait pas de franges d'interférence, puis l'a tourné de 90 degrés.
Le faisceau méridien est devenu latitudinal et vice versa. S'il y a un vent éthéré, des rayures noires et claires doivent apparaître sous l'oculaire ! Mais ils ne l'étaient pas. Peut-être qu'en tournant l'appareil, le scientifique l'a déplacé.
Il l'a installé à midi et l'a réparé. Après tout, outre le fait qu'il tourne également autour de son axe. Et donc, à différents moments de la journée, le faisceau latitudinal occupe une position différente par rapport au vent éthéré venant en sens inverse. Or, lorsque l'appareil est rigoureusement immobile, on peut être convaincu de la justesse de l'expérience.
Il n'y avait plus de franges d'interférence. L'expérience a été répétée à plusieurs reprises et Michelson, et avec lui tous les physiciens de l'époque, ont été stupéfaits. Le vent éthéré n'a pas été détecté ! La lumière voyageait dans toutes les directions à la même vitesse !
Personne n'a été capable d'expliquer cela. Michelson a répété l'expérience encore et encore, a amélioré l'équipement et a finalement atteint une précision de mesure presque incroyable, un ordre de grandeur supérieur à ce qui était nécessaire pour le succès de l'expérience. Et encore rien !
Expériences d'Albert Einstein
La prochaine grande étape dans connaissance de la force de gravité Fini Albert Einstein.
On a demandé un jour à Albert Einstein :
Comment en êtes-vous arrivé à votre théorie restreinte de la relativité ? Dans quelles circonstances avez-vous eu une idée brillante ? Le scientifique a répondu : « Il m'a toujours semblé que c'était le cas.
Peut-être qu'il ne voulait pas être franc, peut-être qu'il voulait se débarrasser de l'interlocuteur ennuyeux. Mais il est difficile d'imaginer que l'idée d'Einstein des liens entre le temps, l'espace et la vitesse était innée.
Non, bien sûr, au début il y avait une intuition, brillante comme l'éclair. Puis le développement a commencé. Non, il n'y a pas de contradictions avec les phénomènes connus. Et puis ces cinq pages pleines de formules sont apparues, qui ont été publiées dans un journal physique. Des pages qui ont ouvert une nouvelle ère en physique.
Imaginez un vaisseau spatial volant dans l'espace. Nous vous prévenons tout de suite : le vaisseau spatial est très particulier, le genre dont vous n'avez pas entendu parler dans les histoires de science-fiction. Sa longueur est de 300 000 kilomètres et sa vitesse est, disons, de 240 000 km / s. Et ce vaisseau spatial passe devant l'une des plates-formes intermédiaires dans l'espace, sans s'y arrêter. À pleine vitesse.
L'un des passagers se tient debout sur le pont du vaisseau spatial avec une montre. Et toi et moi, lecteur, nous nous tenons sur une plate-forme - sa longueur doit correspondre à la taille d'un vaisseau spatial, soit 300 000 kilomètres, sinon il ne pourra pas s'y tenir. Et nous avons aussi une montre entre les mains.
Nous remarquons qu'au moment où la proue du vaisseau a rattrapé le bord arrière de notre plate-forme, une lanterne a clignoté dessus, éclairant l'espace qui l'entoure. Une seconde plus tard, un faisceau de lumière atteignit le bord avant de notre plate-forme. Nous n'en doutons pas, car nous connaissons la vitesse de la lumière, et nous avons réussi à repérer exactement l'instant correspondant sur l'horloge. Et sur un vaisseau...
Mais le vaisseau a également volé vers le faisceau de lumière. Et nous avons très bien vu que la lumière éclairait sa poupe au moment où elle se trouvait quelque part près du milieu de la plate-forme. Nous avons définitivement vu que le faisceau de lumière ne couvrait pas 300 000 kilomètres de la proue à la poupe du navire.
Mais les passagers sur le pont du vaisseau spatial sont sûrs d'autre chose. Ils sont sûrs que leur faisceau couvrait toute la distance de la proue à la poupe de 300 000 kilomètres. Après tout, il y a passé une seconde entière. Eux aussi l'ont enregistré avec une précision absolue sur leurs montres. Et comment pourrait-il en être autrement : après tout, la vitesse de la lumière ne dépend pas de la vitesse de la source...
Comment? Nous voyons une chose depuis une plate-forme fixe, et une autre pour eux sur le pont d'un vaisseau spatial ? Quel est le problème?
La théorie de la relativité d'Einstein
Il convient de noter immédiatement : La théorie de la relativité d'Einsteinà première vue, cela contredit absolument notre idée établie de la structure du monde. On peut dire que cela contredit aussi le bon sens, tel que nous avons l'habitude de le présenter. Cela s'est produit plusieurs fois dans l'histoire des sciences.
Mais la découverte de la sphéricité de la Terre était contraire au bon sens. Comment les gens peuvent-ils vivre de l'autre côté et ne pas tomber dans l'abîme ?
Pour nous, la sphéricité de la Terre est un fait incontestable, et du point de vue du bon sens, toute autre hypothèse est dénuée de sens et sauvage. Mais prenez du recul par rapport à votre époque, imaginez la première apparition de cette idée, et vous comprendrez combien il serait difficile de l'accepter.
Eh bien, était-il plus facile d'admettre que la Terre n'est pas immobile, mais vole le long de sa trajectoire des dizaines de fois plus vite qu'un boulet de canon ?
Tout cela était des épaves de bon sens. Par conséquent, les physiciens modernes ne s'y réfèrent jamais.
Revenons maintenant à la théorie restreinte de la relativité. Le monde l'a reconnue pour la première fois en 1905 à partir d'un article signé par un nom peu connu - Albert Einstein. Et il n'avait que 26 ans à l'époque.
Einstein a fait une hypothèse très simple et logique à partir de ce paradoxe : du point de vue d'un observateur sur la plate-forme, moins de temps s'est écoulé dans une voiture en mouvement que votre montre-bracelet n'en a mesuré. Dans la voiture, le passage du temps ralenti par rapport au temps sur la plate-forme à l'arrêt.
Des choses assez étonnantes découlaient logiquement de cette hypothèse. Il s'est avéré qu'une personne se rendant au travail en tram, par rapport à un piéton empruntant le même chemin, non seulement gagne du temps en raison de la vitesse, mais cela va aussi plus lentement pour lui.
Cependant, n'essayez pas de préserver ainsi la jeunesse éternelle : même si vous devenez conducteur de calèche et passez un tiers de votre vie dans un tram, dans 30 ans vous ne gagnerez guère plus d'un millionième de seconde. Pour que le gain de temps devienne perceptible, il faut se déplacer à une vitesse proche de la vitesse de la lumière.
Il s'avère que l'augmentation de la vitesse des corps se reflète dans leur masse. Plus la vitesse d'un corps est proche de la vitesse de la lumière, plus sa masse est grande. A la vitesse d'un corps égale à la vitesse de la lumière, sa masse est égale à l'infini, c'est-à-dire qu'elle est supérieure à la masse de la Terre, du Soleil, de la Galaxie, de tout notre Univers... C'est combien de masse peut être concentré dans un simple pavé, l'accélérant à la vitesse
Sveta !
Cela impose une limitation qui ne permet à aucun corps matériel de développer une vitesse égale à la vitesse de la lumière. Après tout, à mesure que la masse grandit, il devient de plus en plus difficile de la disperser. Et une masse infinie ne peut être déplacée par aucune force.
Cependant, la nature a fait une exception très importante à cette loi pour toute une classe de particules. Par exemple, pour les photons. Ils peuvent se déplacer à la vitesse de la lumière. Plus précisément, ils ne peuvent se déplacer à aucune autre vitesse. Il est impensable d'imaginer un photon immobile.
A l'arrêt, il n'a pas de masse. De plus, les neutrinos n'ont pas de masse au repos, et ils sont également condamnés à un vol éternel et incontrôlé dans l'espace à la vitesse maximale possible dans notre Univers, sans dépasser la lumière et sans la suivre.
N'est-il pas vrai que chacune des conséquences de la théorie de la relativité restreinte que nous énumérons est surprenante, paradoxale ! Et chacun, bien sûr, est contraire au "bon sens" !
Mais voici ce qui est intéressant : non pas dans sa forme concrète, mais en tant que position philosophique large, toutes ces conséquences étonnantes ont été prédites par les fondateurs du matérialisme dialectique. Que disent ces implications ? A propos des connexions qui relient l'énergie et la masse, la masse et la vitesse, la vitesse et le temps, la vitesse et la longueur d'un objet en mouvement…
La découverte d'Einstein de l'interdépendance, comme le ciment (plus :), reliant ensemble le renforcement ou les pierres de fondation, a relié ensemble des choses et des phénomènes qui semblaient auparavant indépendants les uns des autres et a créé la fondation sur laquelle, pour la première fois dans l'histoire de la science, il était possible de construire un bâtiment harmonieux. Ce bâtiment est une représentation du fonctionnement de notre univers.
Mais d'abord, au moins quelques mots sur la théorie générale de la relativité, également créée par Albert Einstein.
Albert Einstein Ce nom - la théorie générale de la relativité - ne correspond pas tout à fait au contenu de la théorie, qui sera discutée. Il établit une interdépendance entre l'espace et la matière. Apparemment, il serait plus correct de l'appeler théorie de l'espace-temps, ou alors théorie de la gravité.
Mais ce nom s'est tellement rapproché de la théorie d'Einstein que même se poser la question de son remplacement paraît aujourd'hui indécent à de nombreux scientifiques.
La théorie générale de la relativité a établi l'interdépendance entre la matière et le temps et l'espace qui la contiennent. Il s'est avéré que non seulement l'espace et le temps ne peuvent pas être imaginés comme existant séparément de la matière, mais que leurs propriétés dépendent également de la matière qui les remplit.
Point de départ de la discussion
Par conséquent, on ne peut que spécifier point de départ de la discussion et tirer des conclusions importantes.
Au début du voyage dans l'espace, une catastrophe inattendue a détruit la bibliothèque, le fonds de films et d'autres dépôts de l'esprit, la mémoire des personnes volant dans l'espace. Et la nature de la planète natale est oubliée au fil des siècles. Même la loi de la gravitation universelle est oubliée, car la fusée vole dans l'espace intergalactique, où elle ne se fait presque pas sentir.
Cependant, les moteurs du navire fonctionnent à merveille, l'alimentation en énergie des batteries est pratiquement illimitée. La plupart du temps, le navire se déplace par inertie, et ses habitants sont habitués à l'apesanteur. Mais parfois, ils allument les moteurs et ralentissent ou accélèrent le mouvement du navire. Lorsque les buses à jet flamboient dans le vide avec une flamme incolore et que le navire se déplace à une vitesse accélérée, les habitants sentent que leur corps devient lourd, ils sont obligés de marcher autour du navire et de ne pas voler dans les couloirs.
Et maintenant, le vol est presque terminé. Le vaisseau vole jusqu'à l'une des étoiles et tombe sur les orbites de la planète la plus appropriée. Les vaisseaux sortent, marchant sur un sol vert et frais, éprouvant constamment la même sensation de lourdeur, familière depuis l'époque où le vaisseau avançait à une allure accélérée.
Mais la planète se déplace uniformément. Il ne peut pas voler vers eux avec une accélération constante de 9,8 m/s2 ! Et ils ont la première hypothèse que le champ gravitationnel (force gravitationnelle) et l'accélération donnent le même effet, et ont peut-être une nature commune.
Aucun de nos contemporains terriens n'a effectué un vol aussi long, mais beaucoup de gens ont ressenti le phénomène de «lestage» et «d'allègement» de leur corps. Déjà un ascenseur ordinaire, lorsqu'il se déplace à un rythme accéléré, crée cette sensation. En descendant, vous ressentez une perte de poids soudaine ; en montant, au contraire, le sol appuie sur vos jambes avec plus de force que d'habitude.
Mais un sentiment ne prouve rien. Après tout, les sensations tentent de nous convaincre que le Soleil se déplace dans le ciel autour de la Terre immobile, que toutes les étoiles et planètes sont à la même distance de nous, au firmament, etc.
Les scientifiques ont soumis les sensations à une vérification expérimentale. Même Newton a pensé à l'étrange identité des deux phénomènes. Il a essayé de leur donner des caractéristiques numériques. Ayant mesuré la gravitationnelle et , il était convaincu que leurs valeurs sont toujours strictement égales entre elles.
À partir de n'importe quel matériau, il a fabriqué les pendules de l'usine pilote : de l'argent, du plomb, du verre, du sel, du bois, de l'eau, de l'or, du sable, du blé. Le résultat était le même.
Principe d'équivalence, dont nous parlons, est la base de la théorie générale de la relativité, bien que l'interprétation moderne de la théorie n'ait plus besoin de ce principe. En omettant les déductions mathématiques qui découlent de ce principe, passons directement à quelques conséquences de la théorie générale de la relativité.
La présence de grandes masses de matière affecte grandement l'espace environnant. Cela conduit à de tels changements en lui, qui peuvent être définis comme des inhomogénéités de l'espace. Ces inhomogénéités dirigent le mouvement de toutes les masses proches du corps attirant.
Recourir généralement à une telle analogie. Imaginez une toile bien tendue sur un cadre parallèle à la surface de la terre. Mettez un poids lourd dessus. Ce sera notre grande masse d'attraction. Bien sûr, elle pliera la toile et se retrouvera dans un renfoncement. Maintenant, faites rouler la balle sur cette toile de manière à ce qu'une partie de sa trajectoire se trouve à côté de la masse attractive. Selon la façon dont la balle sera lancée, trois options sont possibles.
- La balle volera assez loin de l'évidement créé par la déviation de la toile et ne changera pas son mouvement.
- La balle touchera l'évidement et les lignes de son mouvement se courberont vers la masse attractive.
- La boule tombera dans ce trou, ne pourra plus en sortir et fera un ou deux tours autour de la masse gravitationnelle.
N'est-il pas vrai que la troisième option modélise très joliment la capture par une étoile ou une planète d'un corps étranger envoyé négligemment dans leur champ d'attraction ?
Et le deuxième cas est la flexion de la trajectoire d'un corps volant à une vitesse supérieure à la vitesse de capture possible ! Le premier cas est similaire au vol hors de la portée pratique du champ gravitationnel. Oui, c'est pratique, car théoriquement le champ gravitationnel est illimité.
Bien sûr, c'est une analogie très éloignée, principalement parce que personne ne peut vraiment imaginer la déviation de notre espace tridimensionnel. Quelle est la signification physique de cette déviation, ou courbure, comme on dit souvent, personne ne le sait.
Il découle de la théorie générale de la relativité que tout corps matériel ne peut se déplacer dans un champ gravitationnel que le long de lignes courbes. Ce n'est que dans des cas particuliers que la courbe se transforme en ligne droite.
Le rayon lumineux obéit également à cette règle. Après tout, il s'agit de photons qui ont une certaine masse en vol. Et le champ gravitationnel a son effet sur lui, ainsi que sur une molécule, un astéroïde ou une planète.
Une autre conclusion importante est que le champ gravitationnel modifie également le cours du temps. Près d'une grande masse attractive, dans un fort champ gravitationnel créé par elle, le passage du temps devrait être plus lent que loin d'elle.
Vous voyez, et la théorie de la relativité générale est lourde de conclusions paradoxales qui peuvent renverser nos idées de "bon sens" encore et encore !
Effondrement gravitationnel
Parlons d'un phénomène étonnant de nature cosmique - à propos de l'effondrement gravitationnel (compression catastrophique). Ce phénomène se produit dans de gigantesques accumulations de matière, où les forces gravitationnelles atteignent des magnitudes si énormes qu'aucune autre force existant dans la nature ne peut leur résister.
Rappelez-vous la célèbre formule de Newton : plus la force de gravité est grande, plus le carré de la distance entre les corps gravitants est petit. Ainsi, plus la formation matérielle devient dense, plus sa taille est petite, plus les forces gravitationnelles augmentent rapidement, plus leur étreinte destructrice est inévitable.
Il existe une technique astucieuse par laquelle la nature lutte contre la compression apparemment illimitée de la matière. Pour ce faire, il arrête le cours même du temps dans la sphère d'action des forces gravitationnelles supergéantes, et les masses de matière enchaînées sont comme coupées de notre Univers, figées dans un étrange rêve léthargique.
Le premier de ces "trous noirs" du cosmos a probablement déjà été découvert. Selon l'hypothèse des scientifiques soviétiques O. Kh. Huseynov et A. Sh. Novruzova, il s'agit du delta des Gémeaux - une étoile double avec une composante invisible.
Le composant visible a une masse de 1,8 solaire, et son "partenaire" invisible devrait être, selon les calculs, quatre fois plus massif que le visible. Mais il n'en reste aucune trace : il est impossible de voir la création la plus étonnante de la nature, le "trou noir".
Le scientifique soviétique, le professeur K.P. Stanyukovich, comme on dit, "sur la pointe d'un stylo", a montré à travers des constructions purement théoriques que les particules de "matière gelée" peuvent être de tailles très diverses.
- Ses formations gigantesques sont possibles, semblables à des quasars, rayonnant en continu autant d'énergie que les 100 milliards d'étoiles de notre Galaxie rayonnent.
- Des amas beaucoup plus modestes sont possibles, égaux à quelques masses solaires seulement. Ces objets et d'autres peuvent provenir eux-mêmes de la matière ordinaire et non "dormante".
- Et des formations d'une classe complètement différente sont possibles, proportionnelles en masse aux particules élémentaires.
Pour qu'ils surgissent, il faut d'abord soumettre la matière qui les compose à une pression gigantesque et l'enfoncer dans les limites de la sphère de Schwarzschild - une sphère où le temps pour un observateur extérieur s'arrête complètement. Et même si après cela la pression est même supprimée, les particules pour lesquelles le temps s'est arrêté continueront d'exister indépendamment de notre Univers.
plancons
Les plankons sont une classe très spéciale de particules. Ils possèdent, selon K.P. Stanyukovich, une propriété extrêmement intéressante : ils portent en eux la matière sous une forme inchangée, telle qu'elle était il y a des millions et des milliards d'années. En regardant à l'intérieur du plankéon, nous pouvions voir la matière telle qu'elle était au moment de la naissance de notre univers. Selon des calculs théoriques, il y a environ 1080 plankons dans l'Univers, environ un plankéon dans un cube d'espace de 10 centimètres de côté. Soit dit en passant, en même temps que Stanyukovich et (indépendamment de lui, l'hypothèse des plankons a été avancée par l'académicien M.A. Markov. Seul Markov leur a donné un nom différent - maximons.
Les propriétés particulières des plankons peuvent aussi être utilisées pour expliquer des transformations parfois paradoxales des particules élémentaires. On sait que lorsque deux particules entrent en collision, des fragments ne se forment jamais, mais d'autres particules élémentaires apparaissent. C'est vraiment étonnant : dans le monde ordinaire, en cassant un vase, on n'obtiendra jamais des tasses entières ni même des rosaces. Mais supposons que dans les profondeurs de chaque particule élémentaire il y ait un plankéon, un ou plusieurs, et parfois plusieurs plankéons.
Au moment de la collision des particules, le "sac" étroitement lié du plankéon s'ouvre légèrement, certaines particules y "tomberont" et au lieu de "sauter" celles que nous considérons comme étant apparues lors de la collision. Dans le même temps, le plankéon, en comptable assidu, veillera à toutes les "lois de conservation" adoptées dans le monde des particules élémentaires.
Eh bien, qu'est-ce que le mécanisme de la gravitation universelle a à voir avec cela ?
"Responsables" de la gravitation, selon l'hypothèse de K. P. Stanyukovich, sont de minuscules particules, les soi-disant gravitons, émises en continu par des particules élémentaires. Les gravitons sont d'autant plus petits que ces derniers, qu'un grain de poussière dansant dans un rayon de soleil est plus petit que le globe.
Le rayonnement des gravitons obéit à un certain nombre de régularités. En particulier, ils sont plus faciles à voler dans cette région de l'espace. Qui contient moins de gravitons. Cela signifie que s'il y a deux corps célestes dans l'espace, les deux émettront des gravitons principalement "vers l'extérieur", dans des directions opposées l'une à l'autre. Cela crée une impulsion qui fait que les corps se rapprochent, s'attirent.
Isaac Newton a suggéré qu'entre tous les corps de la nature, il existe des forces d'attraction mutuelle. Ces forces sont appelées forces de gravité ou alors forces de gravité. La force de gravité irrépressible se manifeste dans l'espace, le système solaire et sur Terre.
Loi de la gravité
Newton a généralisé les lois du mouvement des corps célestes et découvert que la force \ (F \) est égale à :
\[ F = G \dfrac(m_1 m_2)(R^2) \]
où \(m_1 \) et \(m_2 \) sont les masses des corps en interaction, \(R \) est la distance entre eux, \(G \) est le coefficient de proportionnalité, appelé constante gravitationnelle. La valeur numérique de la constante gravitationnelle a été déterminée expérimentalement par Cavendish, mesurant la force d'interaction entre les billes de plomb.
La signification physique de la constante gravitationnelle découle de la loi de la gravitation universelle. Si \(m_1 = m_2 = 1 \text(kg) \), \(R = 1 \text(m) \) , alors \(G = F \) , c'est-à-dire que la constante gravitationnelle est égale à la force avec laquelle deux corps de 1 kg sont attirés à une distance de 1 m.
Valeur numérique:
\(G = 6,67 \cdot() 10^(-11) N \cdot() m^2/ kg^2 \) .
Les forces de gravitation universelle agissent entre tous les corps de la nature, mais elles deviennent tangibles à de grandes masses (ou si au moins la masse de l'un des corps est grande). La loi de la gravitation universelle n'est remplie que pour les points matériels et les boules (dans ce cas, la distance entre les centres des boules est prise comme distance).
La gravité
Un type spécial de force gravitationnelle universelle est la force d'attraction des corps vers la Terre (ou vers une autre planète). Cette force est appelée la gravité. Sous l'action de cette force, tous les corps acquièrent une accélération en chute libre.
D'après la seconde loi de Newton \(g = F_T /m \) , donc \(F_T = mg \) .
Si M est la masse de la Terre, R est son rayon, m est la masse du corps donné, alors la force de gravité est égale à
\(F = G \dfrac(M)(R^2)m = mg \) .
La force de gravité est toujours dirigée vers le centre de la Terre. En fonction de la hauteur \ (h \) au-dessus de la surface de la Terre et de la latitude géographique de la position du corps, l'accélération de la chute libre acquiert différentes valeurs. A la surface de la Terre et aux latitudes moyennes, l'accélération de la chute libre est de 9,831 m/s 2 .
Poids
Dans la technologie et la vie quotidienne, le concept de poids corporel est largement utilisé.
Poids noté \(P \) . L'unité de poids est le newton (N). Puisque le poids est égal à la force avec laquelle le corps agit sur le support, alors, conformément à la troisième loi de Newton, le poids du corps est égal en grandeur à la force de réaction du support. Par conséquent, pour trouver le poids du corps, il est nécessaire de déterminer à quoi correspond la force de réaction du support.
On suppose que le corps est immobile par rapport au support ou à la suspension.
Le poids corporel et la gravité sont de nature différente: le poids corporel est une manifestation de l'action des forces intermoléculaires et la gravité a une nature gravitationnelle.
L'état d'un corps dans lequel son poids est nul est appelé apesanteur. L'état d'apesanteur est observé dans un avion ou un vaisseau spatial lorsqu'il se déplace avec l'accélération de la chute libre, quelles que soient la direction et la valeur de la vitesse de leur mouvement. En dehors de l'atmosphère terrestre, lorsque les moteurs à réaction sont éteints, seule la force de gravitation universelle agit sur l'engin spatial. Sous l'action de cette force, le vaisseau spatial et tous les corps qu'il contient se déplacent avec la même accélération, de sorte que l'état d'apesanteur est observé dans le vaisseau.
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