La teoria classica della gravità di Newton. Qual è la legge di gravitazione universale: la formula della grande scoperta
Secondo quale legge mi impiccherai?
- E impicchiamo tutti secondo una legge: la legge della gravitazione universale.
Legge di gravità
Il fenomeno della gravità è la legge della gravitazione universale. Due corpi agiscono l'uno sull'altro con una forza inversamente proporzionale al quadrato della distanza che li separa e direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse.
Matematicamente, possiamo esprimere questa grande legge con la formula
La gravità agisce su vaste distanze nell'universo. Ma Newton ha sostenuto che tutti gli oggetti sono reciprocamente attratti. È vero che due oggetti qualsiasi si attraggono? Immagina, è noto che la Terra ti attrae seduto su una sedia. Ma hai mai pensato al fatto che un computer e un mouse si attraggono? O una matita e una penna sul tavolo? In questo caso sostituiamo nella formula la massa della penna, la massa della matita, divisa per il quadrato della distanza tra loro, tenendo conto della costante gravitazionale, otteniamo la forza della loro reciproca attrazione. Ma risulterà così piccolo (a causa delle piccole masse della penna e della matita) che non ne sentiamo la presenza. Un'altra cosa è quando si tratta della Terra e di una sedia, o del Sole e della Terra. Le masse sono significative, il che significa che possiamo già valutare l'effetto della forza.
Pensiamo all'accelerazione in caduta libera. Questo è il funzionamento della legge di attrazione. Sotto l'azione di una forza, il corpo cambia velocità più lentamente, maggiore è la massa. Di conseguenza, tutti i corpi cadono sulla Terra con la stessa accelerazione.
Qual è la causa di questo potere unico invisibile? Ad oggi, l'esistenza di un campo gravitazionale è nota e provata. Puoi saperne di più sulla natura del campo gravitazionale nel materiale aggiuntivo sull'argomento.
Pensa a cos'è la gravità. Da dove viene? Cosa rappresenta? Dopotutto, non può essere che il pianeta guardi il Sole, veda quanto è lontano, calcoli l'inverso del quadrato della distanza secondo questa legge?
Direzione di gravità
Ci sono due corpi, diciamo il corpo A e il corpo B. Il corpo A attrae il corpo B. La forza con cui agisce il corpo A inizia sul corpo B ed è diretta verso il corpo A. Cioè “prende” il corpo B e lo tira verso di sé . Il corpo B "fa" la stessa cosa con il corpo A.
Ogni corpo è attratto dalla terra. La terra "prende" il corpo e lo trascina verso il suo centro. Pertanto, questa forza sarà sempre diretta verticalmente verso il basso, ed è applicata dal centro di gravità del corpo, si chiama gravità.
La cosa principale da ricordare
Alcuni metodi di esplorazione geologica, la previsione delle maree e, più recentemente, il calcolo del movimento di satelliti artificiali e stazioni interplanetarie. Calcolo iniziale della posizione dei pianeti.
Possiamo organizzare noi stessi un simile esperimento e non indovinare se i pianeti e gli oggetti sono attratti?
Tale esperienza diretta fatta Cavendish (Henry Cavendish (1731-1810) - fisico e chimico inglese) utilizzando il dispositivo mostrato in figura. L'idea era di appendere un'asta con due palline su un sottilissimo filo di quarzo e poi portare a lato di esse due grosse sfere di piombo. L'attrazione delle palline torcerà leggermente il filo, perché le forze di attrazione tra oggetti ordinari sono molto deboli. Con l'aiuto di tale strumento, Cavendish è stato in grado di misurare direttamente la forza, la distanza e la grandezza di entrambe le masse e, quindi, determinare costante gravitazionale G.
La scoperta unica della costante gravitazionale G, che caratterizza il campo gravitazionale nello spazio, ha permesso di determinare la massa della Terra, del Sole e di altri corpi celesti. Pertanto, Cavendish ha definito la sua esperienza "pesare la Terra".
È interessante notare che le varie leggi della fisica hanno alcune caratteristiche comuni. Passiamo alle leggi dell'elettricità (forza di Coulomb). Le forze elettriche sono anche inversamente proporzionali al quadrato della distanza, ma già tra le cariche, e sorge involontariamente il pensiero che questo schema abbia un significato profondo. Finora nessuno è stato in grado di presentare la gravità e l'elettricità come due diverse manifestazioni della stessa essenza.
Anche qui la forza varia inversamente al quadrato della distanza, ma la differenza nell'entità delle forze elettriche e delle forze gravitazionali è impressionante. Nel tentativo di stabilire la natura comune della gravità e dell'elettricità, troviamo una tale superiorità delle forze elettriche sulle forze gravitazionali che è difficile credere che entrambe abbiano la stessa fonte. Come puoi dire che uno è più forte dell'altro? Dopotutto, tutto dipende da qual è la massa e qual è la carica. Discutendo su quanto agisce la gravità forte, non hai il diritto di dire: "Prendiamo una massa di tale o tale dimensione", perché la scegli tu stesso. Ma se prendiamo ciò che la Natura stessa ci offre (i suoi stessi numeri e misure, che non hanno nulla a che fare con i nostri pollici, anni, nostre misure), allora possiamo confrontare. Prenderemo una particella carica elementare, come, ad esempio, un elettrone. Due particelle elementari, due elettroni, per la carica elettrica si respingono con una forza inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro, e per gravità si attraggono nuovamente con una forza inversamente proporzionale al quadrato della distanza.
Domanda: Qual è il rapporto tra la forza gravitazionale e la forza elettrica? La gravitazione è correlata alla repulsione elettrica come uno sta a un numero con 42 zeri. Questo è profondamente sconcertante. Da dove potrebbe venire un numero così grande?
Le persone cercano questo enorme fattore in altri fenomeni naturali. Passano attraverso tutti i tipi di numeri grandi e se vuoi un numero grande, perché non prendere, diciamo, il rapporto tra il diametro dell'universo e il diametro di un protone - sorprendentemente, anche questo è un numero con 42 zeri. E dicono: forse questo coefficiente è uguale al rapporto tra il diametro del protone e il diametro dell'universo? Questo è un pensiero interessante, ma man mano che l'universo si espande gradualmente, anche la costante di gravità deve cambiare. Sebbene questa ipotesi non sia stata ancora confutata, non abbiamo alcuna prova a suo favore. Al contrario, alcune prove suggeriscono che la costante di gravità non è cambiata in questo modo. Questo numero enorme rimane un mistero fino ad oggi.
Einstein dovette modificare le leggi di gravità secondo i principi della relatività. Il primo di questi principi afferma che la distanza x non può essere superata istantaneamente, mentre secondo la teoria di Newton le forze agiscono istantaneamente. Einstein ha dovuto cambiare le leggi di Newton. Questi cambiamenti, perfezionamenti sono molto piccoli. Una di queste è questa: siccome la luce ha energia, l'energia equivale alla massa, e tutte le masse si attraggono, anche la luce si attrae e, quindi, passando accanto al Sole, deve essere deviata. Ecco come accade realmente. Anche la forza di gravità è leggermente modificata nella teoria di Einstein. Ma questo leggerissimo cambiamento nella legge di gravità è appena sufficiente a spiegare alcune delle apparenti irregolarità nel moto di Mercurio.
I fenomeni fisici nel microcosmo sono soggetti a leggi diverse rispetto ai fenomeni nel mondo delle grandi scale. La domanda sorge spontanea: come si manifesta la gravità in un mondo di piccole scale? La teoria quantistica della gravità risponderà. Ma non esiste ancora una teoria quantistica della gravità. Le persone non hanno ancora avuto molto successo nel creare una teoria della gravità che sia pienamente coerente con i principi della meccanica quantistica e con il principio di indeterminazione.
Aristotele affermava che gli oggetti massicci cadono a terra più velocemente di quelli leggeri.
Galileo all'inizio del XVII secolo dimostrò che tutti gli oggetti cadono "allo stesso modo". E più o meno nello stesso periodo, Keplero si chiedeva cosa fa muovere i pianeti nelle loro orbite. Forse è magnetismo? Isaac Newton, lavorando su "", ha ridotto tutti questi movimenti all'azione di un'unica forza chiamata gravità, che obbedisce a semplici leggi universali.
Galileo dimostrò sperimentalmente che la traiettoria percorsa da un corpo che cade sotto l'influenza della gravità è proporzionale al quadrato del tempo di caduta: una palla che cade per due secondi percorrerà quattro volte più a lungo dello stesso oggetto per un secondo. Galileo mostrò anche che la velocità è direttamente proporzionale al tempo di caduta, e da ciò dedusse che la palla di cannone vola lungo una traiettoria parabolica - uno dei tipi di sezioni coniche, come le ellissi lungo le quali, secondo Keplero, si muovono i pianeti . Ma da dove viene questa connessione?
Quando l'Università di Cambridge chiuse durante la Grande Peste a metà del 1660, Newton tornò nella casa di famiglia e vi formulò la sua legge di gravità, anche se la mantenne segreta per altri 20 anni. (La storia della mela caduta non è stata ascoltata fino a quando l'ottuagenario Newton non ha raccontato la storia dopo una grande cena.)
Ha suggerito che tutti gli oggetti nell'universo generano una forza gravitazionale che attrae altri oggetti (proprio come una mela è attratta dalla Terra), e questa stessa forza gravitazionale determina le traiettorie lungo le quali stelle, pianeti e altri corpi celesti si muovono nello spazio.
Nei suoi ultimi giorni, Isaac Newton ha raccontato come è successo: stava camminando nel meleto nella tenuta dei suoi genitori e improvvisamente ha visto la luna nel cielo diurno. E proprio davanti ai suoi occhi, una mela si staccò dal ramo e cadde a terra. Poiché Newton stava lavorando contemporaneamente alle leggi del moto, sapeva già che la mela cadeva sotto l'influenza del campo gravitazionale terrestre. Sapeva anche che la Luna non è solo sospesa nel cielo, ma ruota in un'orbita attorno alla Terra e, quindi, su di essa agisce una sorta di forza che le impedisce di uscire dall'orbita e volare via in linea retta , nello spazio aperto. Poi gli venne in mente che forse è la stessa forza che fa cadere sulla terra sia la mela che la luna in orbita intorno alla terra.
Legge dell'inverso del quadrato
Newton è stato in grado di calcolare l'entità dell'accelerazione della Luna sotto l'influenza della gravità terrestre e ha scoperto che è migliaia di volte inferiore all'accelerazione degli oggetti (la stessa mela) vicino alla Terra. Come può essere se si muovono sotto l'influenza della stessa forza?
La spiegazione di Newton era che la gravità si indebolisce con la distanza. Un oggetto sulla superficie della Terra è 60 volte più vicino al centro del pianeta rispetto alla Luna. L'attrazione nell'orbita della luna è 1/3600, o 1/602, di ciò che agisce sulla mela. Pertanto, la forza di attrazione tra due oggetti - sia essa la Terra e una mela, la Terra e la Luna, o il Sole e una cometa - è inversamente proporzionale al quadrato della distanza che li separa. Raddoppia la distanza e la forza si riduce di un fattore quattro, triplicala: la forza diventa nove volte inferiore e così via La forza dipende anche dalle masse degli oggetti: maggiore è la massa, maggiore è la gravità.
La legge di gravitazione universale può essere scritta come formula:
F = SOL(Mm/r2).
Dove: La forza gravitazionale è uguale al prodotto della massa maggiore M e meno peso M diviso per il quadrato della loro distanza r2 e moltiplicato per la costante gravitazionale, indicata con una lettera maiuscola G(minuscolo G denota l'accelerazione causata dalla gravità).
Questa costante determina l'attrazione tra due masse qualsiasi ovunque nell'universo. Nel 1789 fu utilizzato per calcolare la massa della Terra (6 1024 kg). Le leggi di Newton sono meravigliose nel prevedere forze e moti in un sistema di due oggetti. Ma quando se ne aggiunge un terzo, tutto diventa molto più complicato e conduce (dopo 300 anni) alla matematica del caos.
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Nel capitolo 1, è stato discusso in dettaglio che il globo impartisce la stessa accelerazione a tutti i corpi vicini alla superficie della Terra: l'accelerazione della caduta libera. Ma se il globo imprime accelerazione al corpo, allora, secondo la seconda legge di Newton, agisce sul corpo con una certa forza. Si chiama la forza con cui la terra agisce sul corpo gravità. Per prima cosa, troviamo questa forza, e poi consideriamo la forza di gravitazione universale.
L'accelerazione modulo è determinata dalla seconda legge di Newton:
Nel caso generale, dipende dalla forza che agisce sul corpo e dalla sua massa. Poiché l'accelerazione di caduta libera non dipende dalla massa, è chiaro che la forza di gravità deve essere proporzionale alla massa:
La grandezza fisica è l'accelerazione di caduta libera, è costante per tutti i corpi.
Sulla base della formula F = mg, è possibile specificare un metodo semplice e praticamente conveniente per misurare le masse dei corpi confrontando la massa di un dato corpo con l'unità standard di massa. Il rapporto tra le masse di due corpi è uguale al rapporto tra le forze di gravità che agiscono sui corpi:
Ciò significa che le masse dei corpi sono le stesse se le forze di gravità che agiscono su di esse sono le stesse.
Questa è la base per la determinazione delle masse pesando su una bilancia a molla o bilancia. Facendo in modo che la forza di pressione del corpo sulla bilancia, pari alla forza di gravità applicata al corpo, sia bilanciata dalla forza di pressione dei pesi sulle altre scale, pari alla forza di gravità applicata ai pesi , determiniamo così la massa del corpo.
La forza di gravità che agisce su un dato corpo vicino alla Terra può essere considerata costante solo a una certa latitudine vicino alla superficie terrestre. Se il corpo viene sollevato o spostato in un luogo con una latitudine diversa, l'accelerazione della caduta libera, e quindi la forza di gravità, cambierà.
La forza di gravità.
Newton fu il primo a dimostrare rigorosamente che il motivo che provoca la caduta di un sasso sulla Terra, il movimento della Luna attorno alla Terra e dei pianeti attorno al Sole, è lo stesso. Questo forza gravitazionale agendo tra tutti i corpi dell'Universo.
Newton giunse alla conclusione che se non fosse per la resistenza dell'aria, la traiettoria di una pietra lanciata da un'alta montagna (Fig. 3.1) con una certa velocità potrebbe diventare tale da non raggiungere mai la superficie terrestre, ma lo farebbe muoviti intorno ad esso come i pianeti descrivono le loro orbite nel cielo.
Newton ha trovato questa ragione ed è stata in grado di esprimerla accuratamente sotto forma di una formula: la legge della gravitazione universale.
Poiché la forza di gravitazione universale impartisce la stessa accelerazione a tutti i corpi, indipendentemente dalla loro massa, essa deve essere proporzionale alla massa del corpo su cui agisce:
"La gravità esiste per tutti i corpi in generale ed è proporzionale alla massa di ciascuno di essi ... tutti i pianeti gravitano l'uno verso l'altro ..." I. Newton
Ma poiché, ad esempio, la Terra agisce sulla Luna con una forza proporzionale alla massa della Luna, allora la Luna, secondo la terza legge di Newton, deve agire sulla Terra con la stessa forza. Inoltre, questa forza deve essere proporzionale alla massa della Terra. Se la forza gravitazionale è veramente universale, allora dal lato di un dato corpo su qualsiasi altro corpo deve agire una forza proporzionale alla massa di quest'altro corpo. Di conseguenza, la forza di gravitazione universale deve essere proporzionale al prodotto delle masse dei corpi interagenti. Da ciò segue la formulazione della legge di gravitazione universale.
Legge di gravità:
La forza di attrazione reciproca di due corpi è direttamente proporzionale al prodotto delle masse di questi corpi e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro:
Viene chiamato il fattore di proporzionalità G costante gravitazionale.
La costante gravitazionale è numericamente uguale alla forza di attrazione tra due punti materiali con una massa di 1 kg ciascuno, se la distanza tra loro è di 1 m Dopotutto, con masse m 1 \u003d m 2 \u003d 1 kg e una distanza r \u003d 1 m, otteniamo G \u003d F (numericamente).
Va tenuto presente che la legge di gravitazione universale (3.4) come legge universale è valida per i punti materiali. In questo caso, le forze dell'interazione gravitazionale sono dirette lungo la linea che collega questi punti (Fig. 3.2, a).
Si può dimostrare che corpi omogenei a forma di sfera (anche se non possono essere considerati punti materiali, Fig. 3.2, b) interagiscono anche con la forza definita dalla formula (3.4). In questo caso, r è la distanza tra i centri delle palline. Le forze di attrazione reciproca giacciono su una linea retta passante per i centri delle sfere. Tali forze sono chiamate centrale. I corpi la cui caduta sulla Terra di solito consideriamo sono molto più piccoli del raggio terrestre (R ≈ 6400 km).
Tali corpi, indipendentemente dalla loro forma, possono essere considerati come punti materiali e la forza della loro attrazione verso la Terra può essere determinata utilizzando la legge (3.4), tenendo presente che r è la distanza dal corpo dato al centro della Terra.
Una pietra lanciata sulla Terra devierà sotto l'azione della gravità da un percorso rettilineo e, dopo aver descritto una traiettoria curva, cadrà finalmente sulla Terra. Se lo lanci con più velocità, cadrà ulteriormente”. I. Newton
Definizione della costante gravitazionale.
Ora scopriamo come puoi trovare la costante gravitazionale. Prima di tutto, nota che G ha un nome specifico. Ciò è dovuto al fatto che le unità (e, di conseguenza, i nomi) di tutte le quantità incluse nella legge di gravitazione universale sono già state stabilite in precedenza. La legge di gravitazione fornisce una nuova connessione tra quantità note con determinati nomi di unità. Ecco perché il coefficiente risulta essere un valore denominato. Usando la formula della legge di gravitazione universale, è facile trovare il nome dell'unità della costante gravitazionale in SI: N m 2 / kg 2 \u003d m 3 / (kg s 2).
Per quantificare G è necessario determinare autonomamente tutte le grandezze comprese nella legge di gravitazione universale: sia le masse, sia la forza e la distanza tra i corpi.
La difficoltà sta nel fatto che le forze gravitazionali tra corpi di piccole masse sono estremamente piccole. È per questo motivo che non notiamo l'attrazione del nostro corpo per gli oggetti circostanti e l'attrazione reciproca degli oggetti tra loro, sebbene le forze gravitazionali siano le più universali di tutte le forze in natura. Due persone che pesano 60 kg a una distanza di 1 m l'una dall'altra sono attratte con una forza di soli 10 -9 N. Pertanto, per misurare la costante gravitazionale, sono necessari esperimenti piuttosto sottili.
La costante gravitazionale fu misurata per la prima volta dal fisico inglese G. Cavendish nel 1798 usando un dispositivo chiamato bilancia di torsione. Lo schema della bilancia di torsione è mostrato in Figura 3.3. Un dondolo leggero con due pesi identici alle estremità è sospeso su un sottile filo elastico. Due palle pesanti sono fissate immobili nelle vicinanze. Le forze gravitazionali agiscono tra pesi e sfere immobili. Sotto l'influenza di queste forze, il bilanciere gira e attorciglia il filo fino a quando la forza elastica risultante diventa uguale alla forza gravitazionale. L'angolo di torsione può essere utilizzato per determinare la forza di attrazione. Per fare questo, devi solo conoscere le proprietà elastiche del filo. Le masse dei corpi sono note e la distanza tra i centri dei corpi interagenti può essere misurata direttamente.
Da questi esperimenti è stato ottenuto il seguente valore per la costante gravitazionale:
G \u003d 6,67 10-11 N m 2 / kg 2.
Solo nel caso in cui interagiscono corpi di massa enorme (o almeno la massa di uno dei corpi è molto grande), la forza gravitazionale raggiunge un valore elevato. Ad esempio, la Terra e la Luna sono attratte l'una dall'altra con una forza F ≈ 2 10 20 N.
Dipendenza dell'accelerazione in caduta libera dei corpi dalla latitudine geografica.
Uno dei motivi dell'aumento dell'accelerazione della caduta libera quando si sposta il punto in cui si trova il corpo dall'equatore ai poli è che il globo è in qualche modo appiattito ai poli e la distanza dal centro della Terra alla sua superficie ai poli è minore che all'equatore. Un altro motivo è la rotazione della Terra.
Uguaglianza di masse inerziali e gravitazionali.
La proprietà più sorprendente delle forze gravitazionali è che impartiscono la stessa accelerazione a tutti i corpi, indipendentemente dalle loro masse. Cosa diresti di un giocatore di football il cui calcio accelererebbe ugualmente una normale palla di cuoio e un peso di due libbre? Tutti diranno che è impossibile. Ma la Terra è proprio un tale “calciatore straordinario”, con l'unica differenza che il suo effetto sui corpi non ha il carattere di un impatto a breve termine, ma continua ininterrottamente per miliardi di anni.
Nella teoria di Newton, la massa è la sorgente del campo gravitazionale. Siamo nel campo gravitazionale terrestre. Allo stesso tempo, siamo anche fonti del campo gravitazionale, ma poiché la nostra massa è significativamente inferiore alla massa della Terra, il nostro campo è molto più debole e gli oggetti circostanti non reagiscono ad esso.
L'insolita proprietà delle forze gravitazionali, come abbiamo già detto, è spiegata dal fatto che queste forze sono proporzionali alle masse di entrambi i corpi interagenti. La massa del corpo, inclusa nella seconda legge di Newton, determina le proprietà inerziali del corpo, cioè la sua capacità di acquisire una certa accelerazione sotto l'azione di una data forza. Questo massa inerziale m e.
Sembrerebbe, quale relazione può avere con la capacità dei corpi di attrarsi a vicenda? La massa che determina la capacità dei corpi di attrarsi è la massa gravitazionale m r .
Non segue affatto dalla meccanica newtoniana che le masse inerziali e gravitazionali siano le stesse, cioè che
m e = mr . (3.5)
L'uguaglianza (3.5) è una diretta conseguenza dell'esperienza. Significa che si può semplicemente parlare della massa di un corpo come una misura quantitativa delle sue proprietà sia inerziali che gravitazionali.
Non solo il più misterioso forze della natura ma anche il più potente.
L'uomo sulla via del progresso
Storicamente lo è stato Umano mentre avanzi percorsi di progresso dominò le forze sempre più potenti della natura. Ha iniziato quando non aveva nient'altro che un bastone nel pugno e la sua stessa forza fisica.
Ma era saggio, e mise al suo servizio la forza fisica degli animali, rendendoli domestici. Il cavallo accelerò la sua corsa, il cammello rese percorribile il deserto, l'elefante la giungla paludosa. Ma le forze fisiche anche degli animali più forti sono incommensurabilmente piccole rispetto alle forze della natura.
La prima persona ha soggiogato l'elemento fuoco, ma solo nelle sue versioni più indebolite. Inizialmente - per molti secoli - usò come combustibile solo legna, un tipo di combustibile a bassissima intensità energetica. Un po 'più tardi, ha imparato a usare l'energia eolica da questa fonte di energia, un uomo ha sollevato in aria l'ala bianca della vela e una nave leggera ha volato come un uccello sulle onde.
Barca a vela sulle onde
Espose le pale del mulino a vento alle raffiche di vento - e le pesanti pietre delle macine girarono, i pestelli delle semole tintinnarono. Ma è chiaro a tutti che l'energia dei getti d'aria è ben lungi dall'essere concentrata. Inoltre, sia la vela che il mulino a vento avevano paura dei colpi di vento: la tempesta squarciò le vele e affondò le navi, la tempesta ruppe le ali e rovesciò i mulini.
Anche più tardi, l'uomo iniziò a conquistare l'acqua che scorre. La ruota non è solo il più primitivo dei dispositivi in grado di convertire l'energia dell'acqua in moto rotatorio, ma anche il meno potente rispetto ai vari.
L'uomo stava avanzando sulla scala del progresso e aveva bisogno di sempre più energia.
Ha iniziato a utilizzare nuovi tipi di carburante - già il passaggio alla combustione del carbone ha aumentato l'intensità energetica di un chilogrammo di carburante da 2500 kcal a 7000 kcal - quasi tre volte. Poi è arrivato il momento del petrolio e del gas. Ancora una volta, il contenuto energetico di ogni chilogrammo di combustibile fossile è aumentato da una volta e mezza a due volte.
I motori a vapore furono sostituiti da turbine a vapore; le ruote del mulino furono sostituite da turbine idrauliche. Quindi l'uomo tese la mano all'atomo di uranio fissile. Tuttavia, il primo utilizzo di un nuovo tipo di energia ha avuto conseguenze tragiche: la fiamma nucleare di Hiroshima nel 1945 ha incenerito 70mila cuori umani in pochi minuti.
Nel 1954 entrò in funzione la prima centrale nucleare sovietica al mondo, trasformando la potenza dell'uranio nella potenza radiante della corrente elettrica. E va notato che un chilogrammo di uranio contiene due milioni di volte più energia di un chilogrammo del miglior petrolio.
Era un fuoco fondamentalmente nuovo, che poteva essere chiamato fisico, perché erano i fisici che studiavano i processi che portavano alla nascita di tali favolose quantità di energia.
L'uranio non è l'unico combustibile nucleare. Viene già utilizzato un tipo di carburante più potente: gli isotopi di idrogeno.
Sfortunatamente, l'uomo non è ancora riuscito a domare la fiamma nucleare dell'idrogeno-elio. Sa come accendere momentaneamente il suo fuoco ardente, dando fuoco alla reazione in una bomba all'idrogeno con un lampo di un'esplosione di uranio. Ma sempre più vicino, gli scienziati vedono un reattore a idrogeno, che genererà una corrente elettrica a seguito della fusione di nuclei di isotopi di idrogeno in nuclei di elio.
Ancora una volta, la quantità di energia che una persona può prendere da ogni chilogrammo di carburante aumenterà di quasi dieci volte. Ma questo passo sarà l'ultimo nella futura storia del potere umano sulle forze della natura?
NO! Avanti: la padronanza della forma gravitazionale di energia. È ancora più prudentemente impacchettato dalla natura persino dell'energia della fusione idrogeno-elio. Oggi è la forma di energia più concentrata che una persona possa persino immaginare.
Niente di più è ancora visibile lì, oltre l'avanguardia della scienza. E sebbene possiamo affermare con sicurezza che le centrali elettriche funzioneranno per una persona, elaborando l'energia gravitazionale in corrente elettrica (o forse in un flusso di gas che fuoriesce dall'ugello di un motore a reazione, o nella trasformazione pianificata degli onnipresenti atomi di silicio e ossigeno in atomi di metalli ultra rari), non possiamo ancora dire nulla sui dettagli di una tale centrale elettrica (motore a razzo, reattore fisico).
La forza di gravitazione universale all'origine della nascita delle galassie
La forza di gravitazione universale è all'origine della nascita delle galassie dalla materia prestellare, come è convinto l'accademico VA Ambartsumyan. Spegne anche le stelle che hanno esaurito il loro tempo, avendo esaurito il carburante stellare loro assegnato alla nascita.
Sì, guardati intorno: tutto sulla Terra è ampiamente controllato da questa forza.
È lei che determina la struttura a strati del nostro pianeta: l'alternanza di litosfera, idrosfera e atmosfera. È lei che mantiene uno spesso strato di gas d'aria, in fondo al quale e grazie al quale esistiamo tutti.
Se non ci fosse la gravità, la Terra uscirebbe immediatamente dalla sua orbita attorno al Sole e il globo stesso cadrebbe a pezzi, dilaniato dalle forze centrifughe. È difficile trovare qualcosa che non sia, in un modo o nell'altro, dipendente dalla forza di gravitazione universale.
Certo, gli antichi filosofi, persone molto osservanti, non potevano non notare che un sasso lanciato verso l'alto torna sempre indietro. Platone nel IV secolo a.C. lo spiegava con il fatto che tutte le sostanze dell'universo tendono dove si concentra la maggior parte delle sostanze simili: un sasso lanciato cade a terra o va a fondo, l'acqua versata filtra nello stagno più vicino o in un fiume che si fa strada verso il mare, il fumo di un fuoco si precipita verso le sue nubi affini.
Uno studente di Platone, Aristotele, ha chiarito che tutti i corpi hanno proprietà speciali di pesantezza e leggerezza. Corpi pesanti - pietre, metalli - si precipitano al centro dell'universo, luce - fuoco, fumo, vapori - alla periferia. Questa ipotesi, che spiega alcuni dei fenomeni associati alla forza di gravitazione universale, esiste da più di 2mila anni.
Scienziati sulla forza di gravità
Probabilmente il primo a sollevare la questione di forza di gravità veramente scientifico, era il genio del Rinascimento: Leonardo da Vinci. Leonardo ha proclamato che la gravitazione è caratteristica non solo della Terra, che ci sono molti centri di gravità. E ha anche suggerito che la forza di gravità dipende dalla distanza dal centro di gravità.
Le opere di Copernico, Galileo, Keplero, Robert Hooke avvicinarono sempre di più all'idea della legge di gravitazione universale, ma nella sua formulazione finale questa legge è per sempre associata al nome di Isaac Newton.
Isaac Newton sulla forza di gravità
Nato il 4 gennaio 1643. Si è laureato all'Università di Cambridge, è diventato scapolo, poi - un maestro della scienza.
Isacco Newton Tutto ciò che segue è un'infinita ricchezza di opere scientifiche. Ma la sua opera principale sono i "Principi matematici della filosofia naturale", pubblicati nel 1687 e solitamente chiamati semplicemente "Inizi". È in loro che si formula il grande. Probabilmente tutti lo ricordano dal liceo.
Tutti i corpi sono attratti l'uno dall'altro con una forza direttamente proporzionale al prodotto delle masse di questi corpi e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro ...
Alcune disposizioni di questa formulazione potrebbero essere anticipate dai predecessori di Newton, ma non è stata ancora data a nessuno nella sua interezza. Era necessario il genio di Newton per assemblare questi frammenti in un unico insieme al fine di diffondere l'attrazione della Terra sulla Luna e del Sole sull'intero sistema planetario.
Dalla legge di gravitazione universale, Newton derivò tutte le leggi del moto dei pianeti, scoperte prima da Keplero. Erano semplicemente le sue conseguenze. Inoltre, Newton ha dimostrato che non solo le leggi di Keplero, ma anche le deviazioni da queste leggi (nel mondo di tre o più corpi) sono il risultato della gravitazione universale ... Questo è stato un grande trionfo della scienza.
Sembrava che la forza principale della natura, che muove i mondi, fosse finalmente scoperta e descritta matematicamente, la forza a cui sono soggette le molecole dell'aria, delle mele e del Sole. Gigante, incommensurabilmente enorme fu il passo compiuto da Newton.
Il primo divulgatore del lavoro di un brillante scienziato, lo scrittore francese Francois Marie Arouet, famoso in tutto il mondo con lo pseudonimo di Voltaire, disse che Newton intuì improvvisamente l'esistenza di una legge a lui intitolata quando guardò una mela che cadeva.
Lo stesso Newton non ha mai menzionato questa mela. E oggi non vale la pena perdere tempo a confutare questa bellissima leggenda. E, a quanto pare, Newton arrivò a comprendere il grande potere della natura attraverso il ragionamento logico. È probabile che sia stato incluso nel capitolo corrispondente degli "Inizi".
La forza di gravità influenza il volo del nucleo
Supponiamo che su una montagna altissima, così alta che la sua cima sia già fuori dall'atmosfera, abbiamo piazzato un gigantesco pezzo d'artiglieria. La sua canna è stata posizionata rigorosamente parallela alla superficie del globo e sparata. Descrivere l'arco il nucleo cade a terra.
Aumentiamo la carica, miglioriamo la qualità della polvere da sparo, in un modo o nell'altro facciamo muovere il nucleo a una velocità maggiore dopo il colpo successivo. L'arco descritto dal nucleo diventa più piatto. Il nucleo cade molto più lontano dai piedi della nostra montagna.
Aumentiamo anche la carica e spariamo. Il nucleo vola lungo una traiettoria così dolce che scende parallela alla superficie del globo. Il nucleo non può più cadere sulla Terra: con la stessa velocità con cui cade, la Terra gli sfugge da sotto. E, descritto l'anello attorno al nostro pianeta, il nucleo ritorna al punto di partenza.
La pistola può essere rimossa nel frattempo. Dopotutto, il volo del nucleo intorno al globo richiederà più di un'ora. E poi il nucleo spazzerà rapidamente sopra la cima della montagna e andrà in un nuovo cerchio attorno alla Terra. Cadere, se, come abbiamo concordato, il nucleo non incontra alcuna resistenza dell'aria, non sarà mai in grado di farlo.
La velocità del nucleo per questo dovrebbe essere vicina a 8 km/sec. E se aumenti la velocità del volo del nucleo? Prima volerà in un arco, più dolce della curvatura della superficie terrestre, e inizierà ad allontanarsi dalla Terra. Allo stesso tempo, la sua velocità sotto l'influenza della gravità terrestre diminuirà.
E, infine, voltandosi, inizierà, per così dire, a ricadere sulla Terra, ma la supererà e non completerà più un cerchio, ma un'ellisse. Il nucleo si muoverà attorno alla Terra esattamente nello stesso modo in cui la Terra si muove attorno al Sole, cioè lungo un'ellisse, in uno dei fuochi di cui si troverà il centro del nostro pianeta.
Se aumentiamo ulteriormente la velocità iniziale del nucleo, l'ellisse risulterà più allungata. È possibile allungare questa ellisse in modo tale che il nucleo raggiunga l'orbita lunare o anche molto oltre. Ma fino a quando la velocità iniziale di questo nucleo non supererà gli 11,2 km/s, rimarrà un satellite della Terra.
Il nucleo, che ha ricevuto una velocità di oltre 11,2 km / s quando è stato sparato, volerà via per sempre dalla Terra lungo una traiettoria parabolica. Se un'ellisse è una curva chiusa, allora una parabola è una curva che ha due rami che vanno all'infinito. Muovendosi lungo un'ellisse, per quanto allungata possa essere, si ritornerà inevitabilmente sistematicamente al punto di partenza. Muovendoci lungo una parabola, non torneremo mai più al punto di partenza.
Ma, avendo lasciato la Terra con questa velocità, il nucleo non potrà ancora volare all'infinito. La potente gravitazione del Sole piegherà la traiettoria del suo volo, chiudendosi su se stesso come la traiettoria di un pianeta. Il nucleo diventerà la sorella della Terra, un minuscolo pianeta nella nostra stessa famiglia di pianeti.
Per dirigere il nucleo al di fuori del sistema planetario, per vincere l'attrazione solare, è necessario dirgli una velocità superiore a 16,7 km / s, e dirigerlo in modo che a questa velocità si aggiunga la velocità del moto stesso della Terra .
Una velocità di circa 8 km/s (questa velocità dipende dall'altezza della montagna da cui spara il nostro cannone) si chiama velocità circolare, le velocità da 8 a 11,2 km/s sono ellittiche, da 11,2 a 16,7 km/s sono paraboliche, e al di sopra di questo numero - velocità liberatorie.
Qui va aggiunto che i valori dati di queste velocità sono validi solo per la Terra. Se vivessimo su Marte, la velocità circolare sarebbe molto più facile da raggiungere per noi: lì è solo di circa 3,6 km / s e la velocità parabolica è solo leggermente superiore a 5 km / s.
D'altra parte, sarebbe molto più difficile inviare il nucleo in un volo spaziale da Giove che dalla Terra: la velocità circolare su questo pianeta è di 42,2 km / se la velocità parabolica è addirittura di 61,8 km / s!
Sarebbe molto difficile per gli abitanti del Sole lasciare il loro mondo (se, ovviamente, tale potesse esistere). La velocità circolare di questo gigante dovrebbe essere 437,6 e la velocità di separazione - 618,8 km / s!
Così Newton alla fine del XVII secolo, cento anni prima del primo volo della mongolfiera riempita di aria calda dei fratelli Montgolfier, duecento anni prima dei primi voli dell'aereo dei fratelli Wright, e quasi un quarto di un millennio prima del decollo dei primi razzi liquidi, ha indicato la via verso il cielo per satelliti e astronavi.
La forza di gravità è insita in ogni sfera
Usando legge di gravità furono scoperti pianeti sconosciuti, furono create ipotesi cosmogoniche sull'origine del sistema solare. La principale forza della natura, che controlla le stelle, i pianeti, le mele nel giardino e le molecole di gas nell'atmosfera, è stata scoperta e descritta matematicamente.
Ma non conosciamo il meccanismo della gravitazione universale. La gravitazione newtoniana non spiega, ma rappresenta visivamente lo stato attuale del moto planetario.
Non sappiamo cosa causi l'interazione di tutti i corpi dell'Universo. E non si può dire che Newton non fosse interessato a questo motivo. Per molti anni ha riflettuto sul suo possibile meccanismo.
A proposito, questo è davvero un potere estremamente misterioso. Una forza che si manifesta attraverso centinaia di milioni di chilometri di spazio, priva a prima vista di qualsiasi formazione materiale, con l'aiuto della quale si potrebbe spiegare il trasferimento dell'interazione.
Le ipotesi di Newton
E newton fatto ricorso a ipotesi sull'esistenza di un certo etere che presumibilmente riempie l'intero Universo. Nel 1675 spiegò l'attrazione per la Terra dal fatto che l'etere che riempiva l'intero Universo si precipita al centro della Terra in flussi continui, catturando tutti gli oggetti in questo movimento e creando una forza gravitazionale. Lo stesso flusso di etere si precipita verso il Sole e, trascinando i pianeti, le comete, assicura le loro traiettorie ellittiche...
Non era un'ipotesi molto convincente, anche se assolutamente matematicamente logica. Ma ora, nel 1679, Newton creò una nuova ipotesi per spiegare il meccanismo della gravità. Questa volta conferisce all'etere la proprietà di avere una concentrazione diversa vicino ai pianeti e lontano da loro. Quanto più lontano dal centro del pianeta, tanto più denso è l'etere. E ha la proprietà di spremere tutti i corpi materiali dai loro strati più densi in quelli meno densi. E tutti i corpi vengono schiacciati sulla superficie della Terra.
Nel 1706 Newton nega nettamente l'esistenza stessa dell'etere. Nel 1717 ritorna nuovamente all'ipotesi della spremitura dell'etere.
L'ingegnoso cervello di Newton ha combattuto per la soluzione del grande mistero e non l'ha trovata. Questo spiega un lancio così acuto da un lato all'altro. Newton diceva:
Non faccio ipotesi.
E sebbene, come abbiamo solo potuto verificare, ciò non sia del tutto vero, possiamo sicuramente affermare un'altra cosa: Newton ha saputo distinguere nettamente le cose indiscutibili dalle ipotesi instabili e controverse. E negli Elementi c'è una formula della grande legge, ma non c'è alcun tentativo di spiegarne il meccanismo.
Il grande fisico ha lasciato in eredità questo enigma all'uomo del futuro. Morì nel 1727.
Non è stato risolto nemmeno oggi.
La discussione sull'essenza fisica della legge di Newton durò due secoli. E forse questa discussione non riguarderebbe l'essenza stessa della legge, se rispondesse esattamente a tutte le domande che gli vengono poste.
Ma il nocciolo della questione è che nel tempo si è scoperto che questa legge non è universale. Che ci sono casi in cui non può spiegare questo o quel fenomeno. Facciamo degli esempi.
La forza di gravità nei calcoli di Seeliger
Il primo di questi è il paradosso di Seeliger. Considerando l'Universo infinito e uniformemente riempito di materia, Seeliger ha cercato di calcolare, secondo la legge di Newton, la forza gravitazionale universale creata dall'intera massa infinitamente grande dell'Universo infinito in un punto in esso.
Non era un compito facile dal punto di vista della matematica pura. Superate tutte le difficoltà delle trasformazioni più complesse, Seeliger scoprì che la forza di gravitazione universale desiderata è proporzionale al raggio dell'Universo. E poiché questo raggio è uguale all'infinito, allora la forza gravitazionale deve essere infinitamente grande. Tuttavia, non lo vediamo nella pratica. Ciò significa che la legge della gravitazione universale non si applica all'intero universo.
Tuttavia, sono possibili anche altre spiegazioni per il paradosso. Ad esempio, possiamo presumere che la materia non riempia uniformemente l'intero Universo, ma la sua densità diminuisce gradualmente e, infine, da qualche parte molto lontano non c'è affatto materia. Ma immaginare un'immagine del genere significa ammettere la possibilità dell'esistenza dello spazio senza materia, il che è generalmente assurdo.
Possiamo presumere che la forza di gravità si indebolisca più velocemente dell'aumento del quadrato della distanza. Ma questo mette in dubbio la sorprendente armonia della legge di Newton. No, e questa spiegazione non ha soddisfatto gli scienziati. Il paradosso è rimasto un paradosso.
Osservazioni del movimento di Mercurio
Un altro fatto, l'azione della forza di gravitazione universale, non spiegata dalla legge di Newton, ha portato osservazione del moto di Mercurio- più vicino al pianeta. Calcoli esatti secondo la legge di Newton hanno mostrato che il perelio - il punto dell'ellisse lungo il quale Mercurio si muove più vicino al Sole - dovrebbe spostarsi di 531 secondi d'arco in 100 anni.
E gli astronomi hanno scoperto che questo spostamento è pari a 573 secondi d'arco. Anche questo eccesso - 42 secondi d'arco - non poteva essere spiegato dagli scienziati, usando solo formule derivanti dalla legge di Newton.
Ha spiegato sia il paradosso di Seeliger, sia lo spostamento del perelio di Mercurio, e molti altri fenomeni paradossali e fatti inspiegabili Alberto Einstein, uno dei più grandi, se non il più grande fisico di tutti i tempi. Tra le piccole cose fastidiose c'era la questione di vento etereo.
Esperimenti di Albert Michelson
Sembrava che questa domanda non riguardasse direttamente il problema della gravitazione. Si riferiva all'ottica, alla luce. Più precisamente, alla definizione della sua velocità.
L'astronomo danese fu il primo a determinare la velocità della luce. Olaf Remer guardando l'eclissi delle lune di Giove. Questo accadde già nel 1675.
fisico americano Alberto Michelson alla fine del XVIII secolo condusse una serie di determinazioni della velocità della luce in condizioni terrestri, utilizzando l'apparato da lui progettato.
Nel 1927, diede alla velocità della luce 299796 + 4 km/s, che era un'accuratezza eccellente per quei tempi. Ma l'essenza della questione è diversa. Nel 1880 decise di indagare sul vento etereo. Voleva finalmente stabilire l'esistenza di quell'etere, con la cui presenza si cercava di spiegare sia la trasmissione dell'interazione gravitazionale che la trasmissione delle onde luminose.
Michelson fu probabilmente lo sperimentatore più notevole del suo tempo. Aveva un'attrezzatura eccellente. Ed era quasi sicuro del successo.
Essenza dell'esperienza
Esperienzaè stato concepito così. La terra si muove nella sua orbita ad una velocità di circa 30 km/sec.. Si muove nell'aria. Ciò significa che la velocità della luce da una sorgente che si trova davanti al ricevitore rispetto al moto della Terra deve essere maggiore di quella da una sorgente che si trova dall'altra parte. Nel primo caso alla velocità della luce va aggiunta la velocità del vento etereo, nel secondo caso la velocità della luce deve diminuire di questo valore.
Naturalmente, la velocità della Terra nella sua orbita attorno al Sole è solo un decimillesimo della velocità della luce. Trovare un termine così piccolo è molto difficile, ma Michelson è stato chiamato il re della precisione per un motivo. Ha usato un modo ingegnoso per catturare la differenza "sfuggente" nelle velocità dei raggi di luce.
Ha diviso il raggio in due flussi uguali e li ha diretti in direzioni reciprocamente perpendicolari: lungo il meridiano e lungo il parallelo. Riflessi dagli specchi, i raggi tornarono. Se il raggio percorrendo il parallelo subisse l'influenza del vento etereo, quando si aggiungeva al raggio meridionale, sarebbero dovute sorgere frange di interferenza, le onde dei due raggi sarebbero sfasate.
Tuttavia, è stato difficile per Michelson misurare i percorsi di entrambi i raggi con una precisione così grande da farli coincidere esattamente. Pertanto, ha costruito l'apparato in modo che non ci fossero frange di interferenza, quindi lo ha ruotato di 90 gradi.
Il raggio meridionale è diventato latitudinale e viceversa. Se c'è un vento etereo, dovrebbero apparire strisce nere e chiare sotto l'oculare! Ma non lo erano. Forse, girando il dispositivo, lo scienziato lo ha spostato.
L'ha sistemato a mezzogiorno e l'ha riparato. Dopotutto, oltre al fatto che ruota anche attorno a un asse. E quindi, in diversi momenti della giornata, il raggio latitudinale occupa una posizione diversa rispetto al vento etereo in arrivo. Ora, quando l'apparato è rigorosamente immobile, si può essere convinti dell'accuratezza dell'esperimento.
Non c'erano più frange di interferenza. L'esperimento fu eseguito molte volte e Michelson, e con lui tutti i fisici dell'epoca, rimasero sbalorditi. Il vento etereo non è stato rilevato! La luce viaggiava in tutte le direzioni alla stessa velocità!
Nessuno è stato in grado di spiegarlo. Michelson ha ripetuto l'esperimento ancora e ancora, ha migliorato l'attrezzatura e alla fine ha raggiunto una precisione di misurazione quasi incredibile, un ordine di grandezza maggiore di quanto fosse necessario per il successo dell'esperimento. E ancora niente!
Esperimenti di Albert Einstein
Il prossimo grande passo avanti conoscenza della forza di gravità fatto Alberto Einstein.
Ad Albert Einstein una volta fu chiesto:
Come sei arrivato alla tua teoria della relatività ristretta? In quali circostanze ti è venuta un'idea brillante? Lo scienziato ha risposto: “Mi è sempre sembrato che fosse così.
Forse non voleva essere sincero, forse voleva sbarazzarsi del fastidioso interlocutore. Ma è difficile immaginare che l'idea di Einstein delle connessioni tra tempo, spazio e velocità fosse innata.
No, certo, all'inizio c'era un'intuizione, brillante come un fulmine. Quindi è iniziato lo sviluppo. No, non ci sono contraddizioni con fenomeni noti. E poi sono apparse quelle cinque pagine piene di formule, che sono state pubblicate su un diario fisico. Pagine che hanno aperto una nuova era della fisica.
Immagina un'astronave che vola nello spazio. Ti avvertiamo subito: l'astronave è molto particolare, del tipo di cui non hai letto nelle storie di fantascienza. La sua lunghezza è di 300mila chilometri e la sua velocità è, beh, diciamo, 240mila km / s. E questa astronave vola oltre una delle piattaforme intermedie nello spazio, senza fermarsi. A tutta velocità.
Uno dei passeggeri è in piedi sul ponte dell'astronave con un orologio. E tu ed io, lettore, siamo in piedi su una piattaforma: la sua lunghezza deve corrispondere alle dimensioni di un'astronave, cioè 300mila chilometri, altrimenti non potrà attenersi ad essa. E abbiamo anche un orologio tra le mani.
Notiamo che nel momento in cui la prua dell'astronave raggiunse il bordo posteriore della nostra piattaforma, una lanterna lampeggiò su di essa, illuminando lo spazio circostante. Un secondo dopo, un raggio di luce raggiunse il bordo anteriore della nostra piattaforma. Non ne dubitiamo, perché conosciamo la velocità della luce e siamo riusciti a individuare esattamente il momento corrispondente sull'orologio. E su un'astronave...
Ma anche l'astronave volò verso il raggio di luce. E abbiamo sicuramente visto che la luce illuminava la sua poppa nel momento in cui si trovava da qualche parte vicino al centro della piattaforma. Abbiamo sicuramente visto che il raggio di luce non copriva 300mila chilometri dalla prua alla poppa della nave.
Ma i passeggeri sul ponte dell'astronave sono sicuri di qualcos'altro. Sono sicuri che il loro raggio coprisse l'intera distanza da prua a poppa di 300mila chilometri. Dopotutto, ci ha dedicato un intero secondo. Anche loro l'hanno registrato in modo assolutamente accurato sui loro orologi. E come potrebbe essere altrimenti: dopotutto, la velocità della luce non dipende dalla velocità della sorgente ...
Come mai? Vediamo una cosa da una piattaforma fissa e un'altra a loro sul ponte di un'astronave? Qual è il problema?
La teoria della relatività di Einstein
Va notato subito: La teoria della relatività di Einstein a prima vista, contraddice assolutamente la nostra idea consolidata della struttura del mondo. Possiamo dire che contraddice anche il buon senso, come siamo abituati a presentarlo. Questo è successo molte volte nella storia della scienza.
Ma la scoperta della sfericità della Terra era contraria al buon senso. Come possono le persone vivere dalla parte opposta e non cadere nell'abisso?
Per noi la sfericità della Terra è un fatto indubbio e, dal punto di vista del buon senso, ogni altra ipotesi è priva di significato e selvaggia. Ma fai un passo indietro rispetto al tuo tempo, immagina la prima apparizione di questa idea e capirai quanto sarebbe difficile accettarla.
Ebbene, è stato più facile ammettere che la Terra non è immobile, ma vola lungo la sua traiettoria dozzine di volte più veloce di una palla di cannone?
Tutti questi erano relitti di buon senso. Pertanto, i fisici moderni non vi fanno mai riferimento.
Ora torniamo alla teoria della relatività ristretta. Il mondo l'ha riconosciuta per la prima volta nel 1905 da un articolo firmato da un nome poco conosciuto: Albert Einstein. E all'epoca aveva solo 26 anni.
Einstein fece un'ipotesi molto semplice e logica da questo paradosso: dal punto di vista di un osservatore sulla piattaforma, è passato meno tempo in un'auto in movimento di quanto misurato dal tuo orologio da polso. In macchina, il passare del tempo è rallentato rispetto a quello sulla banchina ferma.
Cose piuttosto sorprendenti sono logicamente seguite da questo presupposto. Si è scoperto che una persona che va al lavoro in tram, rispetto a un pedone che va allo stesso modo, non solo risparmia tempo a causa della velocità, ma va anche più lentamente per lui.
Tuttavia, non cercare di preservare l'eterna giovinezza in questo modo: anche se diventi un cocchiere e trascorri un terzo della tua vita in tram, in 30 anni guadagnerai poco più di un milionesimo di secondo. Affinché il guadagno di tempo diventi evidente, è necessario muoversi a una velocità prossima a quella della luce.
Si scopre che l'aumento della velocità dei corpi si riflette nella loro massa. Più la velocità di un corpo è vicina alla velocità della luce, maggiore è la sua massa. Alla velocità di un corpo pari alla velocità della luce, la sua massa è uguale all'infinito, cioè è maggiore della massa della Terra, del Sole, della Galassia, del nostro intero Universo ... Ecco quanta massa può essere concentrato in un semplice ciottolo, accelerandolo alla velocità
Sveta!
Ciò impone una limitazione che non consente a nessun corpo materiale di sviluppare una velocità pari a quella della luce. Dopotutto, man mano che la massa cresce, diventa sempre più difficile disperderla. E una massa infinita non può essere mossa da alcuna forza.
Tuttavia, la natura ha fatto un'eccezione molto importante a questa legge per un'intera classe di particelle. Ad esempio, per i fotoni. Possono muoversi alla velocità della luce. Più precisamente, non possono muoversi a nessun'altra velocità. È impensabile immaginare un fotone immobile.
Quando è fermo, non ha massa. Inoltre, i neutrini non hanno una massa a riposo, e sono anche condannati a un eterno volo sfrenato attraverso lo spazio alla massima velocità possibile nel nostro Universo, senza sorpassare la luce e starle dietro.
Non è vero che ciascuna delle conseguenze della teoria della relatività ristretta da noi elencata è sorprendente, paradossale! E ognuno, ovviamente, è contrario al "buon senso"!
Ma ecco cosa è interessante: non nella sua forma concreta, ma come ampia posizione filosofica, tutte queste incredibili conseguenze furono predette dai fondatori del materialismo dialettico. Cosa dicono queste implicazioni? Sulle connessioni che interconnettono energia e massa, massa e velocità, velocità e tempo, velocità e lunghezza di un oggetto in movimento...
La scoperta dell'interdipendenza da parte di Einstein, come il cemento (altro:), collegando insieme rinforzi, o pietre di fondazione, ha collegato insieme cose e fenomeni che prima sembravano indipendenti l'uno dall'altro e ha creato il fondamento su cui per la prima volta nella storia della scienza è stato possibile costruire un edificio armonioso. Questo edificio è una rappresentazione di come funziona il nostro universo.
Ma prima, almeno qualche parola sulla teoria generale della relatività, creata anche da Albert Einstein.
Alberto Einstein Questo nome - la teoria generale della relatività - non corrisponde del tutto al contenuto della teoria, che verrà discussa. Stabilisce l'interdipendenza tra spazio e materia. Apparentemente sarebbe più corretto chiamarlo teoria dello spazio-tempo, O teoria della gravità.
Ma questo nome è diventato così vicino alla teoria di Einstein che persino sollevare la questione della sua sostituzione ora sembra indecente a molti scienziati.
La teoria generale della relatività ha stabilito l'interdipendenza tra la materia e il tempo e lo spazio che la contengono. Si è scoperto che lo spazio e il tempo non solo non possono essere immaginati come esistenti separatamente dalla materia, ma le loro proprietà dipendono anche dalla materia che li riempie.
Punto di partenza della discussione
Pertanto, si può solo specificare punto di partenza della discussione e trarre alcune importanti conclusioni.
All'inizio del viaggio nello spazio, una catastrofe inaspettata ha distrutto la biblioteca, il fondo cinematografico e altri depositi della mente, la memoria delle persone che volano nello spazio. E la natura del pianeta natale è dimenticata nel cambio dei secoli. Anche la legge della gravitazione universale è dimenticata, perché il razzo vola nello spazio intergalattico, dove quasi non si fa sentire.
Tuttavia, i motori della nave funzionano in modo eccellente, la fornitura di energia nelle batterie è praticamente illimitata. La maggior parte delle volte, la nave si muove per inerzia e i suoi abitanti sono abituati all'assenza di gravità. Ma a volte accendono i motori e rallentano o accelerano il movimento della nave. Quando gli ugelli a getto divampano nel vuoto con una fiamma incolore e la nave si muove a una velocità accelerata, gli abitanti sentono che i loro corpi diventano pesanti, sono costretti a camminare intorno alla nave e non volare attraverso i corridoi.
E ora il volo è vicino al completamento. La nave vola su una delle stelle e cade nelle orbite del pianeta più adatto. Le astronavi escono, camminando su un fresco terreno verde, provando costantemente la stessa sensazione di pesantezza, familiare dall'epoca in cui la nave si muoveva a ritmo accelerato.
Ma il pianeta si muove in modo uniforme. Non può volare verso di loro con un'accelerazione costante di 9,8 m/s2! E hanno il primo presupposto che il campo gravitazionale (forza gravitazionale) e l'accelerazione diano lo stesso effetto, e forse abbiano una natura comune.
Nessuno dei nostri contemporanei terrestri ha fatto un volo così lungo, ma molte persone hanno sentito il fenomeno di "appesantire" e "alleggerire" i loro corpi. Già un normale ascensore, quando si muove ad un ritmo accelerato, crea questa sensazione. In discesa avverti un improvviso dimagrimento, in salita invece il pavimento preme sulle tue gambe con più forza del solito.
Ma una sensazione non prova nulla. Dopotutto, le sensazioni cercano di convincerci che il Sole si muove nel cielo attorno alla Terra immobile, che tutte le stelle e i pianeti sono alla stessa distanza da noi, nel firmamento, ecc.
Gli scienziati hanno sottoposto le sensazioni a verifica sperimentale. Anche Newton pensò alla strana identità dei due fenomeni. Ha cercato di dare loro caratteristiche numeriche. Dopo aver misurato il gravitazionale e , era convinto che i loro valori fossero sempre strettamente uguali tra loro.
Da qualunque materiale abbia realizzato i pendoli dell'impianto pilota: da argento, piombo, vetro, sale, legno, acqua, oro, sabbia, grano. Il risultato è stato lo stesso.
Principio di equivalenza, di cui stiamo parlando, è la base della teoria generale della relatività, sebbene l'interpretazione moderna della teoria non abbia più bisogno di questo principio. Tralasciando le deduzioni matematiche che seguono da questo principio, passiamo direttamente ad alcune conseguenze della teoria generale della relatività.
La presenza di grandi masse di materia influisce notevolmente sullo spazio circostante. Porta a tali cambiamenti in esso, che possono essere definiti come disomogeneità dello spazio. Queste disomogeneità dirigono il movimento di tutte le masse che sono vicine al corpo attrattore.
Di solito ricorrono a tale analogia. Immagina una tela tesa strettamente su un telaio parallelo alla superficie terrestre. Mettici un peso pesante. Questa sarà la nostra grande massa attrattiva. Lei, ovviamente, piegherà la tela e finirà in qualche recesso. Ora fai rotolare la palla su questa tela in modo tale che parte del suo percorso si trovi accanto alla massa attrattiva. A seconda di come verrà lanciata la palla, sono possibili tre opzioni.
- La palla volerà abbastanza lontano dalla rientranza creata dalla deflessione della tela e non cambierà il suo movimento.
- La palla toccherà la rientranza e le linee del suo movimento si piegheranno verso la massa attrattiva.
- La palla cadrà in questo buco, non potrà uscirne e farà uno o due giri attorno alla massa gravitante.
Non è vero che la terza opzione modella magnificamente la cattura da parte di una stella o di un pianeta di un corpo estraneo volato con noncuranza nel loro campo di attrazione?
E il secondo caso è la flessione della traiettoria di un corpo che vola a una velocità maggiore della possibile velocità di cattura! Il primo caso è simile al volo fuori dalla portata pratica del campo gravitazionale. Sì, è pratico, perché teoricamente il campo gravitazionale è illimitato.
Naturalmente, questa è un'analogia molto lontana, principalmente perché nessuno può davvero immaginare la deflessione del nostro spazio tridimensionale. Qual è il significato fisico di questa deflessione, o curvatura, come si dice spesso, nessuno lo sa.
Dalla teoria generale della relatività risulta che qualsiasi corpo materiale può muoversi in un campo gravitazionale solo lungo linee curve. Solo in casi particolari, speciali, la curva si trasforma in una linea retta.
Anche il raggio di luce obbedisce a questa regola. Dopotutto, è costituito da fotoni che hanno una certa massa in volo. E il campo gravitazionale ha il suo effetto su di esso, così come su una molecola, un asteroide o un pianeta.
Un'altra conclusione importante è che anche il campo gravitazionale cambia il corso del tempo. Vicino a una grande massa attrattiva, in un forte campo gravitazionale da essa creato, il passare del tempo dovrebbe essere più lento che lontano da essa.
Vedi, e la teoria generale della relatività è irta di conclusioni paradossali che possono capovolgere le nostre idee di "buon senso" ancora e ancora!
Collasso gravitazionale
Parliamo di un fenomeno straordinario di natura cosmica: il collasso gravitazionale (compressione catastrofica). Questo fenomeno si verifica in giganteschi accumuli di materia, dove le forze gravitazionali raggiungono grandezze così enormi che nessun'altra forza esistente in natura può resisterle.
Ricorda la famosa formula di Newton: maggiore è la forza di gravità, minore è il quadrato della distanza tra i corpi gravitanti. Così, più densa diventa la formazione materiale, più piccole sono le sue dimensioni, più rapidamente aumentano le forze gravitazionali, più inevitabile è il loro abbraccio distruttivo.
C'è una tecnica astuta con cui la natura lotta con la compressione apparentemente illimitata della materia. Per fare ciò, interrompe il corso stesso del tempo nella sfera d'azione delle forze gravitazionali supergiganti e le masse di materia incatenate sono, per così dire, spente dal nostro Universo, congelate in uno strano sogno letargico.
Il primo di questi "buchi neri" del cosmo è probabilmente già stato scoperto. Secondo l'ipotesi degli scienziati sovietici O. Kh. Huseynov e A. Sh. Novruzova, è il delta dei Gemelli, una doppia stella con un componente invisibile.
Il componente visibile ha una massa di 1,8 solare e il suo "partner" invisibile dovrebbe essere, secondo i calcoli, quattro volte più massiccio di quello visibile. Ma non ce ne sono tracce: è impossibile vedere la creazione più sorprendente della natura, il "buco nero".
Lo scienziato sovietico Professor K.P. Stanyukovich, come si suol dire, "sulla punta di una penna", ha mostrato attraverso costruzioni puramente teoriche che le particelle di "materia congelata" possono avere dimensioni molto diverse.
- Sono possibili le sue gigantesche formazioni, simili ai quasar, che irradiano continuamente tanta energia quanta irradiano tutti i 100 miliardi di stelle della nostra Galassia.
- Sono possibili ammassi molto più modesti, pari solo a poche masse solari. Sia quelli che altri oggetti possono sorgere essi stessi dalla materia ordinaria, non "dormiente".
- E sono possibili formazioni di una classe completamente diversa, commisurate in massa alle particelle elementari.
Affinché possano sorgere, è necessario prima sottoporre la materia che li compone a una pressione gigantesca e spingerla nei limiti della sfera di Schwarzschild, una sfera in cui il tempo per un osservatore esterno si ferma completamente. E anche se in seguito la pressione viene addirittura rimossa, le particelle per le quali il tempo si è fermato continueranno ad esistere indipendentemente dal nostro Universo.
plankeon
I plankeon sono una classe di particelle molto speciale. Possiedono, secondo KP Stanyukovich, una proprietà estremamente interessante: portano la materia in sé in una forma immutata, come era milioni e miliardi di anni fa. Guardando all'interno del plankeon, potremmo vedere la materia com'era al momento della nascita del nostro universo. Secondo calcoli teorici, ci sono circa 1080 plankeon nell'Universo, approssimativamente un plankeon in un cubo di spazio con un lato di 10 centimetri. A proposito, contemporaneamente a Stanyukovich e (indipendentemente da lui, l'ipotesi dei plankeon è stata avanzata dall'accademico M.A. Markov. Solo Markov ha dato loro un nome diverso: i massimi.
Le proprietà speciali dei plankeon possono anche essere utilizzate per spiegare trasformazioni a volte paradossali delle particelle elementari. È noto che quando due particelle si scontrano non si formano mai frammenti, ma sorgono altre particelle elementari. Questo è davvero sorprendente: nel mondo ordinario, rompendo un vaso, non otterremo mai coppe intere e nemmeno coccarde. Ma supponiamo che nelle profondità di ogni particella elementare ci sia un plankeon, uno o più, e talvolta molti plankeon.
Al momento della collisione delle particelle, la "sacca" strettamente legata del plankeon si apre leggermente, alcune particelle "cadranno" al suo interno, e invece di "saltare fuori" quelle che consideriamo sorte durante la collisione. Allo stesso tempo, il plankeon, da diligente ragioniere, assicurerà tutte le "leggi di conservazione" adottate nel mondo delle particelle elementari.
Ebbene, cosa c'entra il meccanismo della gravitazione universale?
I "responsabili" della gravitazione, secondo l'ipotesi di K. P. Stanyukovich, sono minuscole particelle, i cosiddetti gravitoni, continuamente emessi dalle particelle elementari. I gravitoni sono tanto più piccoli di questi ultimi, quanto un granello di polvere che danza in un raggio di sole è più piccolo del globo.
La radiazione dei gravitoni obbedisce a una serie di regolarità. In particolare, sono più facili da volare in quella regione dello spazio. Che contiene meno gravitoni. Ciò significa che se ci sono due corpi celesti nello spazio, entrambi irradieranno gravitoni prevalentemente “verso l'esterno”, in direzioni opposte l'una all'altra. Questo crea un impulso che porta i corpi ad avvicinarsi, ad attrarsi.
Isaac Newton ha suggerito che tra tutti i corpi in natura ci sono forze di attrazione reciproca. Queste forze sono chiamate forze di gravità O forze di gravità. La forza di gravità irrefrenabile si manifesta nello spazio, nel sistema solare e sulla Terra.
Legge di gravità
Newton ha generalizzato le leggi del moto dei corpi celesti e ha scoperto che la forza \ (F \) è uguale a:
\[ F = SOL \dfrac(m_1 m_2)(R^2) \]
dove \(m_1 \) e \(m_2 \) sono le masse dei corpi interagenti, \(R \) è la distanza tra loro, \(G \) è il coefficiente di proporzionalità, che si chiama costante gravitazionale. Il valore numerico della costante gravitazionale è stato determinato sperimentalmente da Cavendish, misurando la forza di interazione tra sfere di piombo.
Il significato fisico della costante gravitazionale deriva dalla legge della gravitazione universale. Se \(m_1 = m_2 = 1 \text(kg) \), \(R = 1 \text(m) \) , quindi \(G = F \) , cioè la costante gravitazionale è uguale alla forza con cui due corpi di 1 kg sono attratti a una distanza di 1 m.
Valore numerico:
\(Sol = 6,67 \cdot() 10^(-11) N \cdot() m^2/ kg^2 \) .
Le forze di gravitazione universale agiscono tra qualsiasi corpo in natura, ma diventano tangibili a grandi masse (o se almeno la massa di uno dei corpi è grande). La legge di gravitazione universale è soddisfatta solo per punti e sfere materiali (in questo caso, la distanza tra i centri delle sfere viene presa come distanza).
Gravità
Un tipo speciale di forza gravitazionale universale è la forza di attrazione dei corpi sulla Terra (o su un altro pianeta). Questa forza è chiamata gravità. Sotto l'azione di questa forza, tutti i corpi acquisiscono un'accelerazione di caduta libera.
Secondo la seconda legge di Newton \(g = F_T /m \) , quindi \(F_T = mg \) .
Se M è la massa della Terra, R è il suo raggio, m è la massa del corpo dato, quindi la forza di gravità è uguale a
\(F = SOL \dfrac(M)(R^2)m = mg \) .
La forza di gravità è sempre diretta verso il centro della Terra. A seconda dell'altezza \ (h \) sopra la superficie terrestre e della latitudine geografica della posizione del corpo, l'accelerazione di caduta libera assume valori diversi. Sulla superficie della Terra e alle medie latitudini, l'accelerazione in caduta libera è di 9,831 m/s 2 .
Peso corporeo
Nella tecnologia e nella vita di tutti i giorni, il concetto di peso corporeo è ampiamente utilizzato.
Peso corporeo indicato con \(P \) . L'unità di peso è il newton (N). Poiché il peso è uguale alla forza con cui il corpo agisce sul supporto, allora, secondo la terza legge di Newton, il peso del corpo è uguale in grandezza alla forza di reazione del supporto. Pertanto, per trovare il peso del corpo, è necessario determinare quanto è uguale la forza di reazione del supporto.
Si presume che il corpo sia immobile rispetto al supporto o alla sospensione.
Il peso corporeo e la gravità differiscono per natura: il peso corporeo è una manifestazione dell'azione delle forze intermolecolari e la gravità ha una natura gravitazionale.
Viene chiamato lo stato di un corpo in cui il suo peso è zero assenza di gravità. Lo stato di assenza di gravità si osserva in un aeroplano o in un veicolo spaziale quando si muove con l'accelerazione della caduta libera, indipendentemente dalla direzione e dal valore della velocità del loro movimento. Al di fuori dell'atmosfera terrestre, quando i motori a reazione sono spenti, sulla navicella agisce solo la forza di gravitazione universale. Sotto l'azione di questa forza, l'astronave e tutti i corpi in essa si muovono con la stessa accelerazione, quindi nella nave si osserva lo stato di assenza di gravità.
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