قانون جهت گرانش جهانی نظریه کلاسیک گرانش نیوتن

تعریف

قانون گرانش جهانی توسط آی نیوتن کشف شد:

دو جسم همدیگر را جذب می‌کنند که نسبت مستقیم با حاصلضربشان و نسبت معکوس با مجذور فاصله بین آنها دارد:

شرح قانون گرانش جهانی

ضریب ثابت گرانشی است. در سیستم SI، ثابت گرانشی به این معنی است:

این ثابت، همانطور که مشاهده می شود، بسیار کوچک است، بنابراین نیروهای گرانشی بین اجسام با جرم کوچک نیز کوچک است و عملاً احساس نمی شود. با این حال، حرکت اجسام کیهانی به طور کامل توسط گرانش تعیین می شود. وجود جاذبه جهانی یا به عبارت دیگر تعامل گرانشی توضیح می دهد که زمین و سیارات توسط چه چیزی "حمایت می کنند" و چرا آنها در طول مسیرهای خاصی به دور خورشید حرکت می کنند و از آن دور نمی شوند. قانون گرانش جهانی به ما اجازه می دهد تا بسیاری از ویژگی های اجرام آسمانی - توده های سیارات، ستارگان، کهکشان ها و حتی سیاهچاله ها را تعیین کنیم. این قانون امکان محاسبه مدار سیارات را با دقت بسیار بالا و ایجاد یک مدل ریاضی از کیهان فراهم می کند.

با استفاده از قانون گرانش جهانی می توان سرعت های کیهانی را نیز محاسبه کرد. به عنوان مثال، حداقل سرعتی که جسمی که به صورت افقی بالای سطح زمین حرکت می کند، روی آن نمی افتد، بلکه در مدار دایره ای حرکت می کند، 7.9 کیلومتر بر ثانیه است (سرعت اول فرار). برای ترک زمین، یعنی. برای غلبه بر جاذبه گرانشی، بدن باید سرعت 11.2 کیلومتر بر ثانیه (سرعت فرار دوم) داشته باشد.

جاذبه یکی از شگفت انگیزترین پدیده های طبیعی است. در غیاب نیروهای گرانشی، وجود جهان غیرممکن خواهد بود. گرانش مسئول بسیاری از فرآیندها در جهان است - تولد آن، وجود نظم به جای هرج و مرج. ماهیت گرانش هنوز به طور کامل درک نشده است. تا به حال، هیچ کس نتوانسته است مکانیسم و ​​مدل مناسبی از تعامل گرانشی ایجاد کند.

جاذبه زمین

یک مورد خاص از تجلی نیروهای گرانشی، نیروی گرانش است.

گرانش همیشه به صورت عمودی به سمت پایین (به سمت مرکز زمین) هدایت می شود.

اگر نیروی گرانش بر جسمی وارد شود، آنگاه جسم این کار را انجام می دهد. نوع حرکت بستگی به جهت و بزرگی سرعت اولیه دارد.

ما هر روز با اثرات جاذبه مواجه می شویم. ، پس از مدتی خود را روی زمین می بیند. کتاب که از دستانش رها شده، می افتد پایین. پس از پریدن، شخص به فضای بیرونی پرواز نمی کند، بلکه به زمین می افتد.

با در نظر گرفتن سقوط آزاد جسمی در نزدیکی سطح زمین در نتیجه برهمکنش گرانشی این جسم با زمین، می‌توان نوشت:

شتاب سقوط آزاد از کجا می آید:

شتاب گرانش به جرم جسم بستگی ندارد، بلکه به ارتفاع جسم در بالای زمین بستگی دارد. کره زمین در قطب ها کمی مسطح است، بنابراین اجسام واقع در نزدیکی قطب ها کمی نزدیکتر به مرکز زمین قرار دارند. از این نظر، شتاب گرانش به عرض جغرافیایی منطقه بستگی دارد: در قطب کمی بیشتر از استوا و سایر عرض های جغرافیایی است (در استوا m/s، در استوای قطب شمال m/s).

همین فرمول به شما امکان می دهد شتاب گرانش را در سطح هر سیاره ای با جرم و شعاع پیدا کنید.

نمونه هایی از حل مسئله

مثال 1 (مشکل در مورد "وزن کردن" زمین)

مثال 2

قانون گرانش جهانی توسط نیوتن در سال 1687 هنگام مطالعه حرکت ماهواره ماه به دور زمین کشف شد. فیزیکدان انگلیسی به وضوح یک اصل را که نیروهای جاذبه را مشخص می کند، فرموله کرد. علاوه بر این، نیوتن با تجزیه و تحلیل قوانین کپلر محاسبه کرد که نیروهای گرانشی نه تنها در سیاره ما، بلکه در فضا نیز باید وجود داشته باشند.

زمینه

قانون گرانش جهانی خود به خود متولد نشده است. از زمان های قدیم، مردم آسمان را عمدتاً برای تدوین تقویم های کشاورزی، محاسبه تاریخ های مهم و تعطیلات مذهبی مطالعه می کردند. مشاهدات نشان داد که در مرکز "جهان" یک نور (خورشید) وجود دارد که اجرام آسمانی در مدارها به دور آن می چرخند. متعاقباً دگم های کلیسا اجازه نمی داد که این مورد در نظر گرفته شود و مردم دانش انباشته شده در طول هزاران سال را از دست دادند.

در قرن شانزدهم، قبل از اختراع تلسکوپ ها، کهکشانی از ستاره شناسان ظاهر شد که به صورت علمی به آسمان نگاه کردند و ممنوعیت های کلیسا را ​​کنار گذاشتند. تی براهه که سال ها فضا را رصد می کرد، حرکات سیارات را با دقت ویژه ای نظام مند کرد. این داده های بسیار دقیق به I. Kepler کمک کرد تا بعداً سه قانون خود را کشف کند.

زمانی که اسحاق نیوتن قانون گرانش را کشف کرد (1667)، سرانجام سیستم خورشید مرکزی جهان N. Copernicus در نجوم ایجاد شد. بر اساس آن، هر یک از سیارات منظومه در مدارهایی به دور خورشید می چرخند که با تقریبی که برای بسیاری از محاسبات کافی است، می توان آنها را دایره ای در نظر گرفت. در آغاز قرن هفدهم. I. Kepler، با تجزیه و تحلیل آثار T. Brahe، قوانین سینماتیکی را تعیین کرد که حرکات سیارات را مشخص می کند. این کشف پایه ای برای روشن کردن دینامیک حرکت سیاره ای شد، یعنی نیروهایی که دقیقاً این نوع حرکت آنها را تعیین می کنند.

شرح تعامل

برخلاف فعل و انفعالات ضعیف و قوی کوتاه مدت، میدان های گرانشی و الکترومغناطیسی دارای خواص دوربردی هستند: تأثیر آنها در فواصل بسیار زیاد خود را نشان می دهد. پدیده های مکانیکی در جهان ماکرو تحت تأثیر دو نیروی الکترومغناطیسی و گرانشی قرار می گیرند. تأثیر سیارات بر روی ماهواره ها، پرواز یک جسم پرتاب شده یا پرتاب شده، شناور شدن جسم در یک مایع - در هر یک از این پدیده ها نیروهای گرانشی عمل می کنند. این اجرام توسط سیاره جذب می شوند و به سمت آن جذب می شوند، از این رو "قانون گرانش جهانی" نامیده می شود.

ثابت شده است که قطعاً بین اجسام فیزیکی نیروی جاذبه متقابل وجود دارد. پدیده هایی مانند سقوط اجسام به زمین، چرخش ماه و سیارات به دور خورشید که تحت تأثیر نیروهای گرانش جهانی رخ می دهد، گرانشی نامیده می شود.

قانون گرانش جهانی: فرمول

گرانش جهانی به شرح زیر است: هر دو جسم مادی با نیروی معینی به یکدیگر جذب می شوند. بزرگی این نیرو با حاصلضرب جرم این اجسام نسبت مستقیم و با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد:

در فرمول، m1 و m2 جرم اجسام مادی مورد مطالعه هستند. r فاصله تعیین شده بین مراکز جرم اجسام محاسبه شده است. G یک کمیت گرانشی ثابت است که بیانگر نیرویی است که با آن جاذبه متقابل دو جسم با وزن 1 کیلوگرم در فاصله 1 متری رخ می دهد.

نیروی جاذبه به چه چیزی بستگی دارد؟

قانون گرانش بسته به منطقه متفاوت عمل می کند. از آنجایی که نیروی گرانش به مقادیر عرض جغرافیایی در یک منطقه خاص بستگی دارد، به همین ترتیب، شتاب گرانش در نقاط مختلف مقادیر متفاوتی دارد. نیروی گرانش و بر این اساس، شتاب سقوط آزاد دارای حداکثر مقدار در قطب های زمین است - نیروی گرانش در این نقاط برابر با نیروی جاذبه است. حداقل مقادیر در خط استوا خواهد بود.

کره زمین کمی مسطح است، شعاع قطبی آن تقریباً 21.5 کیلومتر کمتر از شعاع استوایی است. با این حال، این وابستگی در مقایسه با چرخش روزانه زمین کمتر قابل توجه است. محاسبات نشان می دهد که به دلیل مایل بودن زمین در خط استوا، بزرگی شتاب ناشی از گرانش کمی کمتر از مقدار آن در قطب 0.18٪ است و پس از چرخش روزانه - 0.34٪.

با این حال، در همان مکان روی زمین، زاویه بین بردارهای جهت کوچک است، بنابراین اختلاف بین نیروی جاذبه و نیروی گرانش ناچیز است و می توان از آن در محاسبات صرف نظر کرد. یعنی می توانیم فرض کنیم که ماژول های این نیروها یکسان هستند - شتاب گرانش نزدیک سطح زمین در همه جا یکسان است و تقریباً 9.8 متر بر ثانیه است.

نتیجه

اسحاق نیوتن دانشمندی بود که انقلاب علمی کرد، اصول دینامیک را به طور کامل بازسازی کرد و بر اساس آنها تصویری علمی از جهان خلق کرد. کشف او بر توسعه علم و ایجاد فرهنگ مادی و معنوی تأثیر گذاشت. به سرنوشت نیوتن رسید که در نتایج ایده جهان تجدید نظر کند. در قرن هفدهم دانشمندان کار بزرگ ساختن پایه یک علم جدید - فیزیک را به پایان رسانده اند.

تصادفی نیست که قانون نیوتن را جهانی می نامند. دامنه عمل آن به زمین و حتی منظومه شمسی محدود نمی شود. این برهمکنش هر جسمی را در کیهان توصیف می کند: ستارگان، سیارات، ماهواره ها، دنباله دارها، شهاب سنگ ها.

چرا سیب ها می افتند؟

همزمان با دریافت مدرک لیسانس دانشمند جوان، آیزاک نیوتن، بیماری طاعون در انگلستان شیوع یافت. دانشگاه کمبریج تعطیل شد و نیوتن به ملک مادرش رفت. دو سالی که او در آنجا گذراند، علم آن زمان را کاملاً تغییر داد، زیرا نیوتن چندین اکتشاف اساسی از جمله استخراج قانون گرانش جهانی انجام داد.

همانطور که او در دوران پیری خود گفت، ایده وجود قانون جاذبه جهانی زمانی به ذهنش رسید که سقوط سیب های رسیده از درختان را تماشا کرد. در آن لحظه ماه در آسمان نمایان شد. و به این ترتیب، با نگاه کردن به ماه، که همانطور که او می دانست، به دور زمین می چرخد، و به سیب هایی که در حال سقوط بودند، ناگهان متوجه شد که در هر دو مورد همان نیرو عمل می کند. این نیرو باعث سقوط اجسام زمینی می شود و همچنین ماهواره زمین را در مدار نگه می دارد و از هجوم آن به فضا جلوگیری می کند.

می گویند داستان افتادن سیب روی سر نیوتن افسانه ای بیش نیست. اما کاملاً مشخص است که دانشمند دوست داشت در باغ سیب مادرش تأمل کند.

این بزرگترین کشفی بود که با دقت ریاضی حرکت اجرام آسمانی و بسیاری از پدیده های روی زمین را توضیح داد. نیروی گرانش (جاذب) یکی از جهانی‌ترین نیروها در طبیعت است. بین هر جسمی که جرم دارند عمل می کند. و از آنجایی که هیچ ماده ای بدون جرم وجود ندارد، هیچ استثنایی برای این نیرو وجود ندارد. اگر می‌توانستیم جاذبه را به شکل رشته‌ها ببینیم، در هر نقطه از فضا تعداد بی‌شماری از این رشته‌ها وجود خواهد داشت که همه چیز را به همه چیز متصل می‌کند. غیرممکن است که از نیروی گرانش "حصار بکشید".

"طبیعت ساده است و با دلایل غیر ضروری تجمل نمی کند." اسحاق نیوتن

پاییز بی پایان

نیوتن اولین کسی نبود که متوجه سقوط اجسام به زمین شد. گالیله همچنین شتاب گرانش را مطالعه کرد. اما او معتقد بود که نیروی گرانش فقط بر روی زمین عمل می کند و حداکثر تا ماه گسترش می یابد. کپلر، که قوانین حرکت سیارات را کشف کرد، مطمئن بود که این قوانین فقط در فضا اعمال می شود. و فقط نبوغ نیوتن امکان ترکیب "زمینی" و "آسمانی" را فراهم کرد. نیوتن اولین کسی بود که ثابت کرد نیروها و قوانین یکسان هم در زمین و هم در فضا عمل می کنند و مهمترین آنها قانون گرانش جهانی است.

برای درک بهتر وحدت این قانون، می توانید یک آزمایش فکری انجام دهید. بیایید تصور کنیم که در لبه یک صخره بلند، در کنار یک توپ قدیمی ایستاده ایم و گلوله های توپ چدنی سنگین زیر پای ما قرار دارند. اگر گلوله توپ را به سادگی از صخره هل دهید، به صورت عمودی به پایین سقوط می کند. اگر یک گلوله توپ را از یک توپ شلیک کنید، آن نیز می افتد، اما ابتدا به جلو پرواز می کند و یک قوس در هوا را توصیف می کند. در اینجا علاوه بر نیروی گرانش، نیروی دیگری بر هسته وارد می شود و به آن شتاب اولیه می دهد.

حالا بیایید تصور کنیم که توپ فوق قدرتمند ما می تواند یک گلوله توپ را با چنان قدرتی شلیک کند که دور زمین بچرخد و دوباره به نقطه شروع خود بازگردد. در این صورت چه اتفاقی خواهد افتاد؟ هسته سقوط نخواهد کرد، اما به حرکت در اطراف سیاره ما در یک مدار دایره ای ادامه خواهد داد. معلوم شد که ما یک ماهواره مصنوعی ساخته ایم.

این کتاب نیوتن یکی از مهم ترین کتاب های تاریخ بشریت است. عنوان آن که از لاتین ترجمه شده است به معنای «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» است.

در واقع، حرکت ماه به دور زمین، زمین به دور خورشید یا یک ماهواره مصنوعی به دور یک سیاره یک "سقوط" ثابت است که توسط نیروی گرانش ایجاد می شود و با قانون گرانش جهانی توضیح داده می شود. با توجه به این واقعیت که سرعت حرکت بسیار بالا است، بدن کوچکتر روی بدن بزرگتر نمی افتد و تمایل به حرکت در یک خط مستقیم دارد. اما آنها نیز نمی توانند پرواز کنند، زیرا آنها توسط نیروی گرانشی فراگیر نگه داشته می شوند - همان نیرویی که باعث سقوط سیب ها می شود.

دستیارش در مورد نیوتن به یاد می آورد: «او به خود اجازه استراحت و مهلت نمی داد... او هر ساعتی را که به مطالعه اختصاص نمی داد را از دست می داد... فکر می کنم از نیاز به اتلاف وقت برای غذا و خواب بسیار ناراحت بود.

نه تنها مرموزترین نیروهای طبیعت، بلکه قدرتمندترین است.

انسان در مسیر پیشرفت

از نظر تاریخی معلوم شد که انسانهمانطور که به جلو حرکت می کند راه های پیشرفتبر نیروهای قدرتمند طبیعت تسلط یافت. او زمانی شروع کرد که چیزی جز یک چوب در مشتش و قدرت بدنی خودش نداشت.

اما او عاقل بود و قدرت بدنی حیوانات را در خدمت خود آورد و آنها را اهلی کرد. اسب دویدن را تند کرد، شتر بیابان را قابل عبور کرد، فیل جنگل باتلاقی را ساخت. اما قدرت بدنی حتی قوی ترین حیوانات در مقایسه با نیروهای طبیعت بسیار ناچیز است.

انسان اولین کسی بود که عنصر آتش را تحت سلطه خود درآورد، اما فقط در ضعیف‌ترین نسخه‌های آن. در ابتدا - برای چندین قرن - او فقط از چوب به عنوان سوخت استفاده می کرد - یک نوع سوخت بسیار کم انرژی. مدتی بعد، او یاد گرفت که از این منبع انرژی برای استفاده از انرژی باد استفاده کند، مرد بال سفید بادبان را به هوا بلند کرد - و کشتی سبک مانند پرنده ای در میان امواج پرواز کرد.

قایق بادبانی روی امواج

او تیغه های آسیاب بادی را در معرض وزش باد قرار داد - و سنگ های سنگین سنگ های آسیاب شروع به چرخیدن کردند و حشرات آسیاب ها شروع به جغجغه کردند. اما برای همگان روشن است که انرژی جت های هوایی به دور از تمرکز است. علاوه بر این، هم بادبان و هم آسیاب بادی از ضربات باد می ترسیدند: طوفان بادبان ها را پاره کرد و کشتی ها را غرق کرد، طوفان بال ها را شکست و آسیاب ها را واژگون کرد.

حتی بعدها، انسان شروع به غلبه بر آبهای جاری کرد. چرخ نه تنها ابتدایی ترین دستگاهی است که قادر به تبدیل انرژی آب به حرکت چرخشی است، بلکه در مقایسه با انواع مختلف، کم قدرت ترین است.

انسان همیشه در امتداد نردبان پیشرفت به جلو می رفت و به انرژی بیشتر و بیشتری نیاز داشت.
او شروع به استفاده از انواع جدیدی از سوخت کرد - در حال حاضر انتقال به سوزاندن زغال سنگ شدت انرژی یک کیلوگرم سوخت را از 2500 کیلو کالری به 7000 کیلو کالری افزایش داد - تقریباً سه برابر. بعد نوبت نفت و گاز رسید. محتوای انرژی هر کیلوگرم سوخت فسیلی دوباره یک و نیم تا دو برابر افزایش یافته است.

موتورهای بخار جایگزین توربین های بخار شدند. چرخ های آسیاب با توربین های هیدرولیک جایگزین شدند. سپس، مرد دست خود را به سمت اتم اورانیوم در حال شکافت دراز کرد. با این حال، اولین استفاده از نوع جدیدی از انرژی عواقب غم انگیزی داشت - آتش هسته ای هیروشیما در سال 1945 70 هزار قلب انسان را در عرض چند دقیقه سوزاند.

در سال 1954، اولین نیروگاه اتمی شوروی جهان به صورت آنلاین راه اندازی شد و قدرت اورانیوم را به نیروی تابشی جریان الکتریکی تبدیل کرد. و باید توجه داشت که یک کیلوگرم اورانیوم دو میلیون برابر بیشتر از یک کیلوگرم بهترین نفت انرژی دارد.

این یک آتش سوزی اساساً جدید بود که می توان آن را فیزیکی نامید، زیرا فیزیکدانان بودند که فرآیندهایی را که منجر به تولد چنین مقادیر افسانه ای انرژی می شد مطالعه کردند.
اورانیوم تنها سوخت هسته ای نیست. یک نوع سوخت قوی تر در حال حاضر استفاده می شود - ایزوتوپ های هیدروژن.

متأسفانه انسان هنوز نتوانسته است شعله هسته ای هیدروژن-هلیوم را تحت سلطه خود درآورد. او می داند که چگونه آتش تمام سوز خود را لحظه ای روشن کند و واکنش بمب هیدروژنی را با انفجار اورانیوم شعله ور کند. اما دانشمندان همچنین شاهد نزدیک‌تر شدن یک راکتور هیدروژنی هستند که در نتیجه ادغام هسته‌های ایزوتوپ‌های هیدروژن به هسته‌های هلیوم، جریان الکتریکی ایجاد می‌کند.

باز هم مقدار انرژی که یک فرد می تواند از هر کیلوگرم سوخت بگیرد تقریباً ده برابر می شود. اما آیا این گام آخرین قدم در تاریخ آینده قدرت بشر بر نیروهای طبیعت خواهد بود؟

نه! پیش رو تسلط بر شکل گرانشی انرژی است. حتی از انرژی همجوشی هیدروژن و هلیوم نیز توسط طبیعت محتاطانه تر بسته بندی شده است. امروزه این متمرکزترین شکل انرژی است که یک فرد حتی می تواند تصور کند.

هیچ چیز بیشتر در آنجا، فراتر از لبه برش علم، هنوز قابل مشاهده نیست. و اگرچه می‌توانیم با اطمینان بگوییم که نیروگاه‌ها برای انسان‌ها کار می‌کنند، انرژی گرانشی را به جریان الکتریکی (و شاید به جریانی از گاز خارج شده از نازل موتور جت یا تبدیل برنامه‌ریزی‌شده اتم‌های سیلیکون و اکسیژن در همه جا، تبدیل کنند. به اتم‌های فلزات فوق‌العاده کمیاب)، ما هنوز نمی‌توانیم درباره جزئیات چنین نیروگاهی (موتور موشک، راکتور فیزیکی) چیزی بگوییم.

نیروی گرانش جهانی در منشاء تولد کهکشان ها

نیروی گرانش جهانی در منشا پیدایش کهکشان ها استهمانطور که آکادمیسین V.A. Ambartsumyan متقاعد شده است از ماده پیش ستاره ای. ستارگانی را که با مصرف سوخت ستاره‌ای که در بدو تولد به آن‌ها داده شده، وقتشان را تمام کرده‌اند، خاموش می‌کند.

به اطراف خود نگاه کنید: همه چیز در اینجا روی زمین تا حد زیادی توسط این نیرو کنترل می شود.

این است که ساختار لایه ای سیاره ما را تعیین می کند - تناوب لیتوسفر، هیدروسفر و جو. این اوست که لایه ضخیمی از گازهای هوا را نگه می دارد که در ته آن و به لطف آن همه ما وجود داریم.

بدون گرانش، زمین بلافاصله از مدار خود به دور خورشید خارج می‌شود و خود کره نیز از هم می‌پاشد و توسط نیروهای گریز از مرکز از هم می‌پاشد. یافتن چیزی که به یک درجه یا آن درجه به نیروی گرانش جهانی وابسته نباشد دشوار است.

البته، فیلسوفان باستان، مردم بسیار آگاه، نمی‌توانستند توجه کنند که سنگی که به سمت بالا پرتاب می‌شود، همیشه برمی‌گردد. افلاطون در قرن چهارم قبل از میلاد این را با گفتن اینکه همه مواد جهان به جایی تمایل دارند که بیشتر مواد مشابه در آن متمرکز شده اند: سنگی که پرتاب شده به زمین می افتد یا به ته می رود، آب ریخته شده به نزدیک ترین حوضچه یا داخل آن نفوذ می کند. رودخانه ای که به دریا راه می یابد، دود آتش به سوی ابرهای همنوعش می تازد.

شاگرد افلاطون، ارسطو، تصریح کرد که همه اجسام دارای ویژگی های ویژه سنگینی و سبکی هستند. اجسام سنگین - سنگ ها، فلزات - به سمت مرکز جهان می شتابند، اجسام سبک - آتش، دود، بخارات - به سمت اطراف. این فرضیه که برخی از پدیده های مرتبط با نیروی گرانش جهانی را توضیح می دهد، بیش از 2 هزار سال است که وجود داشته است.

دانشمندان در مورد نیروی گرانش جهانی

احتمالاً اولین کسی است که این سوال را مطرح کرده است نیروی گرانش جهانیواقعاً از نظر علمی، یک نابغه از رنسانس وجود داشت - لئوناردو داوینچی. لئوناردو اعلام کرد که گرانش منحصر به زمین نیست، مراکز گرانش زیادی وجود دارد. و همچنین این ایده را بیان کرد که نیروی گرانش به فاصله تا مرکز ثقل بستگی دارد.

آثار کوپرنیک، گالیله، کپلر، رابرت هوک بیشتر و بیشتر به ایده قانون گرانش جهانی نزدیک شد، اما در فرمول نهایی خود این قانون برای همیشه با نام اسحاق نیوتن همراه است.

اسحاق نیوتن در مورد نیروی گرانش جهانی

متولد 4 ژانویه 1643. او از دانشگاه کمبریج فارغ التحصیل شد، لیسانس و سپس کارشناسی ارشد علوم شد.

هر آنچه در پی می آید، ثروت بی پایانی از کار علمی است. اما کار اصلی او "اصول ریاضی فلسفه طبیعی" است که در سال 1687 منتشر شد و معمولاً به سادگی "اصول" نامیده می شود. در آنهاست که بزرگان فرموله می شود. احتمالا همه او را از دوران دبیرستان به یاد دارند.

همه اجسام با نیرویی که مستقیماً متناسب با حاصلضرب جرم این اجسام است و با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد یکدیگر را جذب می کنند.

برخی از مفاد این فرمول‌بندی می‌توانست پیشینیان نیوتن را پیش‌بینی کند، اما هیچ‌کس در دستیابی به آن به طور کامل موفق نشده بود. نابغه نیوتن لازم بود تا این قطعات را در یک کل واحد جمع کند تا گرانش زمین را به ماه و خورشید را به کل منظومه سیاره ای گسترش دهد.

از قانون گرانش جهانی، نیوتن تمام قوانین حرکت سیاره ای را که قبلاً توسط کپلر کشف شده بود، استنتاج کرد. آنها به سادگی عواقب آن بودند. علاوه بر این، نیوتن نشان داد که نه تنها قوانین کپلر، بلکه انحراف از این قوانین (در دنیای سه یا چند جسم) نیز نتیجه گرانش جهانی است... این یک پیروزی بزرگ علم بود.

به نظر می‌رسید که سرانجام نیروی اصلی طبیعت که جهان‌ها را به حرکت در می‌آورد، کشف و به صورت ریاضی توصیف شده است، نیرویی که مولکول‌های هوا، سیب‌ها و خورشید را کنترل می‌کند. گامی که نیوتن برداشت، غول آسا و بی اندازه عظیم بود.

اولین محبوب کننده آثار دانشمند برجسته، نویسنده فرانسوی فرانسوا ماری آروئه، که با نام مستعار ولتر در جهان شهرت داشت، گفت که نیوتن با نگاه کردن به سیبی که در حال سقوط است، ناگهان متوجه وجود قانونی به نام او شد.

خود نیوتن هرگز به این سیب اشاره نکرد. و امروز ارزش هدر دادن وقت برای رد این افسانه زیبا را ندارد. و ظاهراً نیوتن از طریق استدلال منطقی به قدرت عظیم طبیعت پی برد. احتمالاً این بود که در فصل مربوطه "آغاز" گنجانده شد.

نیروی گرانش جهانی بر پرواز هسته تأثیر می گذارد

فرض کنید روی یک کوه بسیار بلند، آنقدر بلند که قله آن دیگر در جو نیست، یک توپخانه غول پیکر نصب کرده ایم. لوله آن کاملاً موازی با سطح کره زمین قرار گرفت و شلیک شد. پس از توصیف قوس، هسته به زمین می افتد.

شارژ را افزایش می دهیم، کیفیت باروت را بالا می بریم و گلوله توپ را به هر نحوی مجبور می کنیم بعد از شلیک بعدی با سرعت بیشتری حرکت کند. قوس توصیف شده توسط هسته صاف تر می شود. هسته بسیار دورتر از دامنه کوه ما می افتد.

ما همچنین شارژ را افزایش می دهیم و شلیک می کنیم. هسته در امتداد یک مسیر مسطح پرواز می کند که به موازات سطح کره زمین پایین می آید. هسته دیگر نمی تواند به زمین بیفتد: با همان سرعتی که کاهش می یابد، زمین از زیر آن فرار می کند. و با توصیف حلقه ای در اطراف سیاره ما، هسته به نقطه عزیمت باز می گردد.

اسلحه را می توان در این فاصله برداشت. از این گذشته، پرواز هسته در سراسر جهان بیش از یک ساعت طول خواهد کشید. و سپس هسته به سرعت بر فراز قله کوه پرواز کرده و به پرواز جدیدی در اطراف زمین خواهد رفت. اگر همانطور که توافق کردیم، هسته هیچ مقاومت هوایی را تجربه نکند، هرگز نمی تواند سقوط کند.

برای این کار سرعت هسته باید نزدیک به 8 کیلومتر بر ثانیه باشد. اگر سرعت پرواز هسته را افزایش دهیم چه؟ ابتدا در یک کمان، مسطح تر از انحنای سطح زمین پرواز می کند و شروع به دور شدن از زمین می کند. در عین حال سرعت آن تحت تاثیر گرانش زمین کاهش خواهد یافت.

و در نهایت، با چرخش، شروع به سقوط به زمین می کند، اما از کنار آن عبور می کند و نه یک دایره، بلکه یک بیضی را می بندد. هسته دقیقاً به همان روشی که زمین به دور خورشید حرکت می کند، یعنی در امتداد یک بیضی که در یکی از کانون های آن مرکز سیاره ما قرار دارد، در اطراف زمین حرکت می کند.

اگر سرعت اولیه هسته را بیشتر افزایش دهید، بیضی کشیده تر می شود. می توان این بیضی را به گونه ای کشید که هسته به مدار ماه یا حتی بسیار بیشتر از آن برسد. اما تا زمانی که سرعت اولیه این هسته از 11.2 کیلومتر بر ثانیه فراتر رود، ماهواره زمین باقی می ماند.

هسته ای که هنگام شلیک سرعتی بیش از 11.2 کیلومتر بر ثانیه دریافت می کند، برای همیشه در طول یک مسیر سهموی از زمین دور می شود. اگر بیضی یک منحنی بسته باشد، سهمی منحنی است که دارای دو شاخه است که به سمت بی نهایت می رود. حرکت در امتداد یک بیضی، صرف نظر از اینکه چقدر کشیده باشد، ناگزیر به طور سیستماتیک به نقطه شروع باز خواهیم گشت. با حرکت در امتداد یک سهمی، هرگز به نقطه شروع باز نخواهیم گشت.

اما، با ترک زمین با این سرعت، هسته هنوز قادر به پرواز تا بی نهایت نخواهد بود. گرانش قدرتمند خورشید مسیر پرواز خود را خم می کند و مانند مسیر یک سیاره به دور خود می بندد. هسته به خواهر زمین تبدیل خواهد شد، یک سیاره کوچک مستقل در خانواده سیارات ما.

برای هدایت هسته به خارج از منظومه سیاره ای، برای غلبه بر گرانش خورشیدی، باید به آن سرعتی بیش از 16.7 کیلومتر بر ثانیه داد و آن را طوری هدایت کرد که سرعت حرکت خود زمین به این سرعت اضافه شود.

سرعت حدود 8 کیلومتر در ثانیه (این سرعت بستگی به ارتفاع کوهی دارد که توپ ما از آن شلیک می کند) سرعت دایره ای نامیده می شود، سرعت های 8 تا 11.2 کیلومتر بر ثانیه بیضوی، از 11.2 تا 16.7 کیلومتر در ثانیه سهمی است. و بالاتر از این عدد - با سرعت آزادسازی.

در اینجا باید اضافه کرد که مقادیر داده شده این سرعت ها فقط برای زمین معتبر است. اگر ما در مریخ زندگی می‌کردیم، سرعت دایره‌ای برای ما بسیار راحت‌تر قابل دستیابی بود - این سرعت فقط 3.6 کیلومتر بر ثانیه است و سرعت سهموی فقط کمی بیشتر از 5 کیلومتر در ثانیه است.

اما فرستادن هسته از مشتری به فضا بسیار دشوارتر از زمین خواهد بود: سرعت دایره ای در این سیاره 42.2 کیلومتر بر ثانیه و سرعت سهموی حتی 61.8 کیلومتر در ثانیه است!

ترک دنیای خود برای ساکنان خورشید بسیار دشوار خواهد بود (البته اگر چنین چیزی وجود داشته باشد). سرعت دایره ای این غول باید 437.6 و سرعت بلند شدن - 618.8 کیلومتر در ثانیه باشد!

بنابراین، نیوتن، در پایان قرن هفدهم، صد سال قبل از اولین پرواز بالون هوای گرم برادران مونتگولفیر، دویست سال قبل از اولین پروازهای هواپیمای برادران رایت، و تقریباً یک ربع هزاره قبل از آن. برخاستن اولین موشک های سوخت مایع، راه را برای ماهواره ها و سفینه های فضایی به آسمان نشان داد.

نیروی گرانش جهانی در هر کره ذاتی است

با استفاده از قانون گرانش جهانیسیارات ناشناخته کشف شدند، فرضیه های کیهانی مبدأ منظومه شمسی ایجاد شد. نیروی اصلی طبیعت که ستارگان، سیارات، سیب‌های باغ و مولکول‌های گاز موجود در جو را کنترل می‌کند، کشف و به صورت ریاضی توصیف شده است.

اما مکانیسم گرانش جهانی را نمی دانیم. گرانش نیوتنی توضیح نمی دهد، اما به وضوح وضعیت مدرن حرکت سیاره را نشان می دهد.

ما نمی دانیم که چه چیزی باعث تعامل همه اجسام در جهان می شود. و نمی توان گفت نیوتن به این دلیل علاقه ای نداشت. او سال‌ها به مکانیسم احتمالی آن فکر می‌کرد.

به هر حال، این در واقع یک قدرت بسیار مرموز است. نیرویی که خود را در صدها میلیون کیلومتر فضا نشان می دهد و در نگاه اول فاقد هر گونه تشکیلات مادی است که به کمک آن می توان انتقال تعامل را توضیح داد.

فرضیه های نیوتن

و نیوتنمتوسل به فرضیهدر مورد وجود یک اتر خاص که ظاهراً کل جهان را پر می کند. در سال 1675، او جاذبه زمین را با این واقعیت توضیح داد که اتر، که کل جهان را پر می کند، در جریان های مداوم به مرکز زمین می شتابد و تمام اجسام را در این حرکت گرفته و نیروی گرانش ایجاد می کند. همین جریان اتر به سمت خورشید می تازد و سیارات و دنباله دارها را با خود حمل می کند، مسیر بیضی شکل آنها را تضمین می کند...

این فرضیه چندان قانع کننده ای نبود، اگرچه از نظر ریاضی کاملاً منطقی بود. اما پس از آن، در سال 1679، نیوتن فرضیه جدیدی برای توضیح مکانیسم گرانش ایجاد کرد. این بار او به اتر خاصیت می دهد که غلظت های متفاوتی در نزدیکی سیارات و دور از آنها داشته باشد. هرچه از مرکز سیاره دورتر باشد، ظاهراً اتر متراکم تر است. و این خاصیت را دارد که تمام اجسام مادی را از لایه‌های متراکم‌تر به لایه‌هایی با چگالی کمتر فشرده کند. و تمام اجسام بر روی سطح زمین فشرده می شوند.

در سال 1706، نیوتن به شدت وجود اتر را انکار کرد. در سال 1717، او دوباره به فرضیه اکسترود کردن اتر بازگشت.

مغز درخشان نیوتن برای حل این معمای بزرگ تلاش کرد و آن را پیدا نکرد. این چنین پرتاب تیز از یک طرف به آن طرف را توضیح می دهد. نیوتن دوست داشت بگوید:

من فرضیه نمیزنم

و اگرچه، به محض اینکه ما توانستیم تأیید کنیم، این کاملاً درست نیست، چیز دیگری را می توان به طور قطع بیان کرد: نیوتن می دانست چگونه به وضوح بین چیزهای غیرقابل انکار و فرضیه های ناپایدار و بحث برانگیز تمایز قائل شود. و در «اصول» فرمولی برای قانون بزرگ وجود دارد، اما هیچ تلاشی برای توضیح مکانیسم آن وجود ندارد.
فیزیکدان بزرگ این معما را به مرد آینده وصیت کرد. او در سال 1727 درگذشت.
تا به امروز حل نشده است.

بحث در مورد ماهیت فیزیکی قانون نیوتن دو قرن طول کشید. و شاید اگر این بحث دقیقاً به تمام سؤالات مطرح شده از آن پاسخ می داد، به اصل قانون مربوط نمی شد.

اما واقعیت این است که به مرور زمان مشخص شد که این قانون جهانی نیست. که مواردی وجود دارد که او نمی تواند این یا آن پدیده را توضیح دهد. بیایید مثال بزنیم.

نیروی گرانش جهانی در محاسبات سیلیگر

اولین آنها پارادوکس سیلیگر است. با در نظر گرفتن جهان بی نهایت و به طور یکنواخت پر از ماده، سیلیگر تلاش کرد تا بر اساس قانون نیوتن، نیروی گرانش جهانی را محاسبه کند که توسط کل جرم بی نهایت بزرگ جهان بی نهایت در نقطه ای ایجاد می شود.

از نظر ریاضیات محض این کار آسانی نبود. سیلیگر پس از غلبه بر مشکلات پیچیده ترین دگرگونی ها، ثابت کرد که نیروی گرانش جهانی مورد نظر با شعاع کیهان متناسب است. و چون این شعاع برابر با بی نهایت است، پس نیروی گرانش باید بی نهایت زیاد باشد. اما در عمل ما این را رعایت نمی کنیم. این بدان معنی است که قانون گرانش جهانی برای کل جهان اعمال نمی شود.

با این حال، توضیحات دیگری برای پارادوکس ممکن است. به عنوان مثال، می توان فرض کرد که ماده به طور یکنواخت کل جهان را پر نمی کند، اما چگالی آن به تدریج کاهش می یابد و در نهایت، در جایی بسیار دور، اصلاً ماده ای وجود ندارد. اما تصور چنین تصویری به معنای اعتراف به امکان وجود فضا بدون ماده است که به طور کلی پوچ است.

می توانیم فرض کنیم که نیروی گرانش جهانی سریعتر از افزایش مربع فاصله ضعیف می شود. اما این هماهنگی شگفت انگیز قانون نیوتن را زیر سوال می برد. نه، و این توضیح دانشمندان را راضی نکرد. پارادوکس یک پارادوکس باقی ماند.

مشاهدات حرکت عطارد

واقعیت دیگر، عمل نیروی گرانش جهانی است که توسط قانون نیوتن توضیح داده نشده است مشاهدات حرکت عطارد- نزدیکترین به سیاره محاسبات دقیق با استفاده از قانون نیوتن نشان داد که پر هلیون - نقطه بیضی که عطارد در امتداد آن به نزدیکترین فاصله به خورشید حرکت می کند - باید 531 ثانیه قوسی در هر 100 سال جابجا شود.

و ستاره شناسان تشخیص داده اند که این جابجایی برابر با 573 ثانیه قوسی است. این بیش از حد - 42 ثانیه قوس - نیز نمی تواند توسط دانشمندان، تنها با استفاده از فرمول های ناشی از قانون نیوتن توضیح داده شود.

پارادوکس سیلیگر، جابجایی حضیض عطارد و بسیاری از پدیده های متناقض و حقایق غیرقابل توضیح را توضیح داد. آلبرت انیشتینیکی از بزرگترین، اگر نگوییم بزرگترین فیزیکدان تمام دوران. از جمله چیزهای کوچک آزاردهنده این سوال بود باد اثیری.

آزمایشات آلبرت مایکلسون

به نظر می رسید که این سؤال مستقیماً به مشکل گرانش مربوط نمی شود. او با اپتیک، به نور ارتباط داشت. به طور دقیق تر، برای تعیین سرعت آن.

سرعت نور ابتدا توسط یک ستاره شناس دانمارکی تعیین شد اولاف رومر، رصد کسوف ماهواره های مشتری. این اتفاق در سال 1675 رخ داد.

فیزیکدان آمریکایی آلبرت مایکلسوندر پایان قرن هجدهم، او با استفاده از دستگاهی که طراحی کرده بود، یک سری از تعیین سرعت نور در شرایط زمینی را انجام داد.

در سال 1927، او سرعت نور را 299796 + 4 کیلومتر بر ثانیه داد - این دقت عالی برای آن زمان ها بود. اما نکته متفاوت است. در سال 1880، او تصمیم گرفت تا باد اثیری را کشف کند. او می خواست در نهایت وجود همان اتری را ثابت کند که حضور آن سعی کردند هم انتقال برهمکنش گرانشی و هم انتقال امواج نور را توضیح دهند.

مایکلسون احتمالاً برجسته‌ترین تجربه‌گر زمان خود بود. او تجهیزات عالی داشت. و تقریباً از موفقیت مطمئن بود.

جوهر تجربه

تجربهاینگونه در نظر گرفته شده بود زمین در مدار خود با سرعتی در حدود 30 کیلومتر بر ثانیه حرکت می کند. از طریق اتر حرکت می کند. این بدان معنی است که سرعت نور منبعی که در مقابل گیرنده ایستاده نسبت به حرکت زمین باید بیشتر از منبعی باشد که در طرف دیگر ایستاده است. در حالت اول، سرعت باد اتری را باید به سرعت نور اضافه کرد، در حالت دوم، سرعت نور باید به این میزان کاهش یابد.

البته سرعت گردش زمین به دور خورشید فقط یک ده هزارم سرعت نور است. تشخیص چنین اصطلاح کوچکی بسیار دشوار است، اما بیهوده نیست که مایکلسون را پادشاه دقت می نامیدند. او از روشی هوشمندانه برای ثبت تفاوت «ظریف» در سرعت پرتوهای نور استفاده کرد.

او پرتو را به دو جریان مساوی تقسیم کرد و آنها را در جهت های متقابل عمود هدایت کرد: در امتداد نصف النهار و در امتداد موازی. پس از انعکاس از آینه ها، پرتوها برگشتند. اگر پرتوی که در امتداد موازی حرکت می کند تحت تأثیر باد اتری قرار می گرفت، وقتی به یک پرتو نصف النهار اضافه می شد، حاشیه های تداخلی ظاهر می شد و امواج دو پرتو از فاز خارج می شدند.

با این حال، برای مایکلسون دشوار بود که مسیرهای هر دو پرتو را با چنین دقت بالایی اندازه گیری کند، به طوری که آنها کاملاً یکسان باشند. بنابراین او دستگاه را طوری ساخت که هیچ حاشیه‌ای تداخلی نداشته باشد و سپس آن را 90 درجه چرخاند.

پرتو نصف النهار عرضی شد و بالعکس. در صورت وجود باد اثیری، باید نوارهای سیاه و روشن زیر چشمی ظاهر شود! اما آنها آنجا نبودند. شاید هنگام چرخاندن دستگاه، دانشمند آن را حرکت داد.

ظهر راه انداخت و ایمن کرد. از این گذشته، علاوه بر این که حول یک محور نیز می چرخد. و بنابراین، در زمان‌های مختلف روز، پرتو عرض جغرافیایی موقعیت متفاوتی را نسبت به باد اثیری در حال پیشروی اشغال می‌کند. اکنون، زمانی که دستگاه کاملاً بی حرکت است، می توان به صحت آزمایش متقاعد شد.

دوباره هیچ حاشیه تداخلی وجود نداشت. این آزمایش بارها انجام شد و مایکلسون و همراه با او تمام فیزیکدانان آن زمان شگفت زده شدند. هیچ باد اتری شناسایی نشد! نور با سرعت یکسان در همه جهات حرکت می کرد!

هیچ کس نتوانسته است این را توضیح دهد. مایکلسون آزمایش را بارها و بارها تکرار کرد، تجهیزات را بهبود بخشید و در نهایت به دقت اندازه گیری تقریبا باورنکردنی دست یافت، مرتبه ای بزرگتر از آنچه برای موفقیت آزمایش لازم بود. و باز هم هیچی!

آزمایشات آلبرت انیشتین

قدم بزرگ بعدی در دانش نیروی گرانش جهانیانجام داد آلبرت انیشتین.
یک بار از آلبرت انیشتین پرسیدند:

چگونه به نظریه نسبیت خاص خود رسیدید؟ این ایده درخشان در چه شرایطی به ذهن شما خطور کرد؟ دانشمند پاسخ داد: "من همیشه تصور می کردم که چنین است."

شاید او نمی خواست رک باشد، شاید می خواست از شر همکار مزاحم خود خلاص شود. اما تصور اینکه مفهوم ارتباط بین زمان، مکان و سرعت کشف شده توسط انیشتین فطری باشد دشوار است.

نه، البته، ابتدا یک حدس زده شد که مثل رعد و برق روشن بود. سپس توسعه آن آغاز شد. نه، هیچ تناقضی با پدیده های شناخته شده وجود ندارد. و سپس آن پنج صفحه، پر از فرمول، ظاهر شد که در یک مجله فیزیک منتشر شد. صفحاتی که عصر جدیدی را در فیزیک گشودند.

تصور کنید یک سفینه فضایی در فضا پرواز می کند. اجازه دهید فوراً به شما هشدار دهیم: سفینه فضایی بسیار منحصر به فرد است، نوعی که هرگز در داستان های علمی تخیلی درباره آن نخوانده اید. طول آن 300 هزار کیلومتر و سرعت آن 240 هزار کیلومتر بر ثانیه است. و این سفینه فضایی از کنار یکی از سکوهای میانی در فضا عبور می کند، بدون اینکه در آن توقف کند. با سرعت تمام.

یکی از مسافران آن با ساعتی روی عرشه کشتی ستاره ای ایستاده است. و من و تو، خواننده، روی یک سکو ایستاده ایم - طول آن باید با اندازه کشتی ستاره ای، یعنی 300 هزار کیلومتر مطابقت داشته باشد، زیرا در غیر این صورت نمی تواند روی آن فرود بیاید. و یک ساعت هم در دست داریم.

متوجه می شویم: در آن لحظه، هنگامی که دماغه سفینه فضایی به لبه پشتی سکوی ما رسید، یک فانوس بر روی آن چشمک زد و فضای اطراف آن را روشن کرد. یک ثانیه بعد، پرتو نور به لبه جلوی سکوی ما رسید. ما در این شکی نداریم، زیرا سرعت نور را می دانیم و توانستیم لحظه مربوطه را در ساعت به دقت تشخیص دهیم. و در کشتی ستاره ای ...

اما یک کشتی فضایی نیز به سمت پرتو نور در حال پرواز بود. و ما قطعاً دیدیم که نور در لحظه ای که جایی نزدیک به وسط سکو بود، پشت خود را روشن کرد. قطعاً دیدیم که پرتو نور 300 هزار کیلومتر از کمان تا عقب کشتی را طی نکرده است.

اما مسافران روی عرشه کشتی فضایی از چیز دیگری مطمئن هستند. آنها مطمئن هستند که پرتو آنها تمام مسافت 300 هزار کیلومتری از کمان تا عقب را پوشش داده است. از این گذشته ، او یک ثانیه کامل را صرف این موضوع کرد. آنها همچنین کاملاً دقیق این را در ساعت خود تشخیص دادند. و چگونه می تواند غیر از این باشد: بالاخره سرعت نور به سرعت منبع بستگی ندارد...

چطور؟ ما یک چیز را از یک سکوی ثابت می بینیم، و آنها چیز دیگری را روی عرشه یک کشتی ستاره ای می بینند؟ موضوع چیه؟

نظریه نسبیت انیشتین

فوراً باید توجه داشت: نظریه نسبیت انیشتیندر نگاه اول، کاملاً با درک ثابت ما از ساختار جهان در تضاد است. می توان گفت که با عقل سلیم نیز در تضاد است، همانطور که ما به نمایندگی آن عادت داریم. این اتفاق بیش از یک بار در تاریخ علم رخ داده است.

اما کشف شکل کروی زمین نیز با عقل سلیم در تضاد بود. چگونه مردم می توانند در طرف مقابل زندگی کنند و به ورطه سقوط نکنند؟

برای ما کروی بودن زمین یک واقعیت غیرقابل شک است و از نظر عقل سلیم هر فرض دیگری بی معنی و وحشی است. اما از زمان خود عقب نشینی کنید، اولین ظهور این ایده را تصور کنید، و مشخص می شود که پذیرش آن چقدر دشوار خواهد بود.

خوب، آیا اعتراف به این که زمین بی حرکت نیست، بلکه ده ها برابر سریعتر از یک گلوله توپ در طول مسیر خود پرواز می کند آسان تر خواهد بود؟

اینها همه شکست عقل سلیم بود. به همین دلیل است که فیزیکدانان مدرن هرگز به آن اشاره نمی کنند.

حال به نظریه نسبیت خاص برگردیم. جهان برای اولین بار در سال 1905 از مقاله ای با امضای نام کمی شناخته شده - آلبرت انیشتین در مورد آن مطلع شد. و او در آن زمان تنها 26 سال داشت.

انیشتین از این پارادوکس یک فرض بسیار ساده و منطقی کرد: از دید یک ناظر روی سکو، زمان کمتری از اندازه‌گیری شده توسط ساعت مچی شما در کالسکه متحرک گذشته است. در کالسکه سرعت گذر زمان نسبت به زمان روی سکوی ثابت کاهش یافت.

چیزهای کاملاً شگفت انگیزی به طور منطقی از این فرض سرچشمه می گیرد. معلوم شد فردی که در تراموا سر کار می رود، در مقایسه با یک عابر پیاده که به همان شیوه راه می رود، نه تنها به دلیل سرعت در زمان صرفه جویی می کند، بلکه برای او کندتر هم پیش می رود.

با این حال، سعی نکنید جوانی ابدی را از این طریق حفظ کنید: حتی اگر راننده کالسکه شوید و یک سوم عمر خود را در تراموا بگذرانید، در 30 سال به سختی بیش از یک میلیونیم ثانیه به دست خواهید آورد. برای اینکه سود در زمان قابل توجه باشد، باید با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کنید.

معلوم می شود که افزایش سرعت اجسام در جرم آنها منعکس می شود. هر چه سرعت جسم به سرعت نور نزدیکتر باشد جرم آن بیشتر می شود. وقتی سرعت یک جسم برابر با سرعت نور باشد، جرم آن برابر بی نهایت است، یعنی از جرم زمین، خورشید، کهکشان، کل جهان ما بیشتر است... این همان جرمی است که می تواند در یک سنگفرش ساده متمرکز شود و سرعت آن را افزایش دهد
سوتا!

این محدودیتی را تحمیل می کند که به هیچ جسم مادی اجازه نمی دهد سرعتی برابر با سرعت نور ایجاد کند. از این گذشته، با افزایش جرم، شتاب دادن به آن دشوارتر می شود. و جرم نامتناهی را نمی توان با هیچ نیرویی از جای خود حرکت داد.

با این حال، طبیعت یک استثنا بسیار مهم از این قانون برای یک کلاس کامل از ذرات قرار داده است. مثلا برای فوتون ها. آنها می توانند با سرعت نور حرکت کنند. به عبارت دقیق تر، آنها نمی توانند با سرعت دیگری حرکت کنند. تصور یک فوتون بی حرکت غیرممکن است.

وقتی ساکن است، جرم ندارد. نوترینوها همچنین جرم استراحت ندارند و همچنین محکوم به پرواز کنترل نشده ابدی در فضا با حداکثر سرعت ممکن در جهان ما هستند، بدون اینکه از نور سبقت بگیرند یا از آن عقب بیفتند.

آیا این درست نیست که هر یک از پیامدهای نظریه نسبیت خاص که برشمردیم تعجب آور و متناقض است! و البته هر کدام با "عقل سلیم" در تضاد هستند!

اما جالب اینجاست: نه در شکل خاص خود، بلکه به عنوان یک موضع فلسفی گسترده، همه این پیامدهای شگفت انگیز توسط بنیانگذاران ماتریالیسم دیالکتیکی پیش بینی شده بود. این نتایج چه چیزی را نشان می دهد؟ درباره اتصالاتی که انرژی و جرم، جرم و سرعت، سرعت و زمان، سرعت و طول یک جسم متحرک را به هم متصل می کنند...

کشف وابستگی متقابل انیشتین، مانند سیمان (جزئیات بیشتر:)، اتصال آرماتورها، یا سنگ‌های بنیاد، چیزها و پدیده‌هایی را که قبلاً مستقل از یکدیگر به نظر می‌رسیدند گرد هم آورد و پایه‌ای را ایجاد کرد که برای اولین بار در تاریخ علم ، ساختن یک ساختمان هماهنگ ممکن به نظر می رسید. این ساختمان ایده ای از نحوه عملکرد جهان ما است.

اما ابتدا، حداقل چند کلمه در مورد نظریه نسبیت عام، که همچنین توسط آلبرت انیشتین ایجاد شده است.

این نام - نظریه نسبیت عام - کاملاً با محتوای نظریه ای که مورد بحث قرار خواهد گرفت مطابقت ندارد. وابستگی متقابل بین فضا و ماده را ایجاد می کند. ظاهراً نامگذاری آن صحیح تر است نظریه فضا-زمان، یا نظریه گرانش.

اما این نام چنان با نظریه انیشتین درهم آمیخته است که حتی طرح سوال جایگزینی آن اکنون برای بسیاری از دانشمندان ناپسند به نظر می رسد.

نظریه نسبیت عام وابستگی متقابل بین ماده و زمان و مکان حاوی آن را ایجاد کرد. معلوم شد که فضا و زمان را نه تنها نمی توان جدا از ماده تصور کرد، بلکه خواص آنها به ماده ای که آنها را پر می کند نیز بستگی دارد.

نقطه شروع برای استدلال

بنابراین، ما فقط می توانیم نشان دهیم نقطه شروعو چند نتیجه گیری مهم ارائه کنید.

در آغاز سفر فضایی، یک فاجعه غیرمنتظره کتابخانه، مجموعه فیلم و دیگر مخازن ذهن و حافظه افرادی را که در فضا پرواز می کردند، نابود کرد. و ماهیت سیاره بومی در تغییر قرن ها فراموش شد. حتی قانون گرانش جهانی نیز فراموش شده است، زیرا موشک در فضای بین کهکشانی پرواز می کند، جایی که تقریباً احساس نمی شود.

با این حال، موتورهای کشتی عالی کار می کنند و تامین انرژی در باتری ها عملا نامحدود است. بیشتر اوقات کشتی با اینرسی حرکت می کند و ساکنان آن به بی وزنی عادت کرده اند. اما گاهی موتورها را روشن می کنند و حرکت کشتی را کم یا تسریع می کنند. هنگامی که نازل‌های جت با شعله‌ای بی‌رنگ در فضای خالی می‌سوزند و کشتی با سرعتی تند حرکت می‌کند، ساکنان احساس می‌کنند که بدنشان سنگین‌تر می‌شود، مجبور می‌شوند در اطراف کشتی قدم بزنند و در راهروها پرواز نکنند.

و اکنون این پرواز به اتمام نزدیک شده است. کشتی به سمت یکی از ستاره ها پرواز می کند و به مدار مناسب ترین سیاره می افتد. سفینه‌های فضایی به بیرون می‌روند، روی خاک پوشیده از فضای سبز تازه قدم می‌زنند، و مدام همان احساس سنگینی را تجربه می‌کنند که از زمانی که کشتی با سرعتی تند حرکت می‌کرد، آشناست.

اما سیاره به طور مساوی حرکت می کند. نمی تواند با شتاب ثابت 9.8 متر بر ثانیه به سمت آنها پرواز کند! و فرض اول را دارند که میدان گرانشی (نیروی گرانشی) و شتاب اثر یکسانی دارند و شاید ماهیت مشترکی داشته باشند.

هیچ یک از معاصران زمینی ما در چنین پرواز طولانی نبودند، اما بسیاری پدیده "سنگینی" و "سبک شدن" بدن خود را احساس کردند. حتی یک آسانسور معمولی هم وقتی با سرعتی تند حرکت می کند، این حس را ایجاد می کند. هنگام پایین آمدن، هنگام بالا رفتن احساس کاهش وزن ناگهانی می کنید، برعکس، زمین با نیرویی بیشتر از حد معمول به پاهای شما فشار می آورد.

اما یک احساس چیزی را ثابت نمی کند. از این گذشته ، احساسات سعی می کنند ما را متقاعد کنند که خورشید در سراسر آسمان در اطراف زمین بی حرکت حرکت می کند ، که همه ستارگان و سیارات در یک فاصله از ما ، در فلک و غیره قرار دارند.

دانشمندان این احساسات را در معرض آزمایشات تجربی قرار داده اند. نیوتن به هویت عجیب این دو پدیده نیز فکر کرد. او سعی کرد به آنها ویژگی های عددی بدهد. او با اندازه گیری گرانش و گرانش متقاعد شد که مقادیر آنها همیشه کاملاً با یکدیگر برابر است.

او آونگ های کارخانه آزمایشی را از انواع مواد مانند نقره، سرب، شیشه، نمک، چوب، آب، طلا، ماسه، گندم ساخت. نتیجه همان شد.

اصل هم ارزی، که در مورد آن صحبت می کنیم، اساس نظریه نسبیت عام است، اگرچه تفسیر مدرن نظریه دیگر به این اصل نیاز ندارد. با صرف نظر از نتیجه گیری های ریاضی حاصل از این اصل، اجازه دهید مستقیماً به برخی از پیامدهای نظریه نسبیت عام برویم.

وجود توده های بزرگ ماده بر فضای اطراف تأثیر زیادی می گذارد. منجر به تغییراتی در آن می شود که می توان آن را ناهمگونی فضا تعریف کرد. این ناهمگونی ها حرکت هر توده ای را که خود را در نزدیکی جسم جذب کننده می بینند هدایت می کند.

معمولاً به این قیاس متوسل می شوند. یک بوم را تصور کنید که محکم روی یک قاب موازی با سطح زمین کشیده شده است. وزنه سنگینی روی آن قرار دهید. این توده بزرگ جذب ما خواهد بود. البته بوم را خم می کند و در نهایت به نوعی افسردگی می رسد. حالا توپ را در امتداد این بوم بغلتانید تا بخشی از مسیر آن در کنار جرم جذب کننده قرار گیرد. بسته به نحوه پرتاب توپ، سه گزینه ممکن وجود دارد.

1. توپ به اندازه کافی از فرورفتگی ایجاد شده در اثر انحراف بوم پرواز می کند و حرکت خود را تغییر نمی دهد.
2. توپ فرورفتگی را لمس می کند و خطوط حرکت آن به سمت جرم جذب کننده خم می شود.
3. توپ در این سوراخ می افتد، نمی تواند از آن خارج شود و یک یا دو چرخش در اطراف جرم گرانشی انجام می دهد.

آیا این درست نیست که گزینه سوم بسیار زیبا از گرفتن یک جسم خارجی توسط ستاره یا سیاره ای که با بی دقتی در میدان جاذبه آنها پرواز می کند، مدل می کند؟

و حالت دوم خم شدن مسیر جسمی است که با سرعتی بیشتر از سرعت گرفتن ممکن پرواز می کند! مورد اول شبیه به پرواز فراتر از محدوده عملی میدان گرانشی است. بله، دقیقاً عملی است، زیرا از نظر تئوری میدان گرانشی نامحدود است.

البته، این یک قیاس بسیار دور است، در درجه اول به این دلیل که هیچ کس واقعاً نمی تواند انحراف فضای سه بعدی ما را تصور کند. هیچ کس نمی داند که معنای فیزیکی این انحراف یا خمیدگی، همانطور که اغلب می گویند، چیست.

از نظریه نسبیت عام چنین بر می آید که هر جسم مادی فقط در امتداد خطوط منحنی می تواند در میدان گرانشی حرکت کند. فقط در موارد خاص، منحنی به یک خط مستقیم تبدیل می شود.

یک پرتو نور نیز از این قانون پیروی می کند. از این گذشته ، از فوتون هایی تشکیل شده است که جرم خاصی در حال پرواز دارند. و میدان گرانشی بر آن تأثیر می گذارد، درست مانند یک مولکول، یک سیارک یا یک سیاره.

نتیجه مهم دیگر این است که میدان گرانشی گذر زمان را نیز تغییر می دهد. در نزدیکی یک جرم جذب کننده بزرگ، در میدان گرانشی قوی که ایجاد می کند، گذر زمان باید کندتر از دور از آن باشد.

می بینید، نظریه نسبیت عام مملو از نتایج متناقض است که می تواند یک بار دیگر ایده های ما را در مورد "عقل سلیم" واژگون کند!

فروپاشی گرانشی

بیایید در مورد یک پدیده شگفت انگیز صحبت کنیم که شخصیت کیهانی دارد - فروپاشی گرانشی (فشرده سازی فاجعه بار). این پدیده در تجمعات غول پیکر ماده رخ می دهد، جایی که نیروهای گرانشی به قدر عظیمی می رسند که هیچ نیروی دیگری در طبیعت نمی تواند در برابر آنها مقاومت کند.

فرمول معروف نیوتن را به خاطر بسپارید: هر چه مجذور فاصله بین اجسام گرانشی کوچکتر باشد، نیروی گرانش بیشتر است. بنابراین، هر چه یک سازند مادی متراکم تر شود، هر چه اندازه آن کوچکتر شود، نیروهای گرانش سریعتر افزایش می یابد، آغوش مخرب آنها اجتناب ناپذیرتر است.

یک تکنیک حیله گر وجود دارد که با آن طبیعت با فشرده سازی به ظاهر بی حد و حصر ماده مبارزه می کند. برای انجام این کار، گذر زمان در حوزه عمل نیروهای گرانشی ابرغول را متوقف می‌کند و به نظر می‌رسد توده‌های ماده محدود شده از کیهان ما منجمد شده‌اند و در خواب بی‌حالی عجیبی منجمد شده‌اند.

احتمالاً اولین مورد از این "سیاه چاله ها" در فضا قبلاً کشف شده است. با توجه به فرضیه دانشمندان شوروی O. Kh.

جرم جزء مرئی برابر با 1.8 خورشیدی است و طبق محاسبات، "همدم" نامرئی آن باید چهار برابر بزرگتر از عنصر مرئی باشد. اما هیچ اثری از آن وجود ندارد: دیدن شگفت انگیزترین خلقت طبیعت، "سیاه چاله" غیرممکن است.

دانشمند شوروی، پروفسور K.P. Stanyukovich، همانطور که می گویند، "در نوک قلم خود"، از طریق ساختارهای صرفا نظری، نشان داد که ذرات "ماده یخ زده" می توانند از نظر اندازه بسیار متنوع باشند.

• شکل‌گیری‌های غول‌پیکر آن ممکن است، مشابه اختروش‌ها، که به‌طور پیوسته به اندازه ۱۰۰ میلیارد ستاره کهکشان ما انرژی ساطع می‌کنند.
• توده های بسیار ساده تر، برابر با چند جرم خورشیدی، ممکن است. هر دو شیء می توانند خود از ماده معمولی و غیرخوابی ناشی شوند.
• و تشکیل یک کلاس کاملاً متفاوت امکان پذیر است که از نظر جرم با ذرات بنیادی قابل مقایسه است.

برای به وجود آمدن آنها، ماده ای که آنها را تشکیل می دهد باید ابتدا تحت فشار غول پیکر قرار گیرد و به محدوده های کره شوارتزشیلد هدایت شود - کره ای که زمان برای یک ناظر خارجی کاملاً متوقف می شود. و حتی اگر پس از این فشار برداشته شود، ذراتی که زمان برای آنها متوقف شده است مستقل از جهان ما به وجود خود ادامه می دهند.

پلانکئون

پلانکئون ها یک کلاس کاملاً ویژه از ذرات هستند. به گفته K. P. Stanyukovich، آنها دارای یک ویژگی بسیار جالب هستند: آنها ماده را به شکلی بدون تغییر حمل می کنند، همانطور که میلیون ها و میلیاردها سال پیش بود. با نگاهی به داخل پلانکئون، می‌توانیم ماده را همانطور که در لحظه تولد کیهان ما بود، ببینیم. طبق محاسبات نظری، حدود 1080 پلانکئون در کیهان وجود دارد، تقریباً یک پلانکئون در مکعبی از فضا با ضلع 10 سانتی‌متر. به هر حال، همزمان با استانیوکوویچ و (مستقل از او)، فرضیه مربوط به پلانکئون ها توسط آکادمیسین M.A. Markov مطرح شد.

می توان تلاش کرد تا با استفاده از خواص ویژه پلانکئون ها، تبدیل های گاه متناقض ذرات بنیادی را توضیح دهد. مشخص است که وقتی دو ذره با هم برخورد می کنند، قطعات هرگز تشکیل نمی شوند، اما ذرات بنیادی دیگری به وجود می آیند. این واقعاً شگفت‌انگیز است: در دنیای معمولی، شکستن یک گلدان، هرگز فنجان کامل یا حتی گل رز بدست نمی‌آوریم. اما فرض کنید در اعماق هر ذره بنیادی یک پلانکئون، یک یا چند و گاهی اوقات تعداد زیادی پلانکئون پنهان شده باشد.

در لحظه برخورد ذرات، "کیسه" محکم بسته شده پلانکئون کمی باز می شود، برخی از ذرات در آن "می افتند" و در عوض آنهایی که ما فکر می کنیم در هنگام برخورد بوجود آمده اند "بیرون می آیند". در همان زمان، پلانکئون، مانند یک حسابدار محتاط، تمام "قوانین حفاظت" پذیرفته شده در دنیای ذرات بنیادی را تضمین می کند.
خوب، مکانیسم گرانش جهانی چه ربطی به آن دارد؟

"مسئول" گرانش، طبق فرضیه K. P. Stanyukovich، ذرات ریز، به اصطلاح گراویتون ها هستند که به طور مداوم توسط ذرات بنیادی ساطع می شوند. گراویتون ها به همان اندازه کوچکتر از دومی هستند که ذره ای از غبار که در پرتو خورشید می رقصد کوچکتر از کره زمین است.

انتشار گراویتون ها از قوانین متعددی تبعیت می کند. به ویژه، آنها راحت تر به آن منطقه از فضا پرواز می کنند. که حاوی گراویتون های کمتری است. این بدان معنی است که اگر دو جرم آسمانی در فضا وجود داشته باشد، هر دو گراویتون عمدتاً "به سمت بیرون" در جهت مخالف یکدیگر ساطع می کنند. این یک انگیزه ایجاد می کند که باعث می شود بدن ها به هم نزدیکتر شوند و یکدیگر را جذب کنند.

قرن 16 - 17 به حق توسط بسیاری از دوره های با شکوه در جهان نامیده می شود در این زمان بود که پایه های آن تا حد زیادی گذاشته شد که بدون آن توسعه بیشتر این علم به سادگی غیر قابل تصور بود. کوپرنیک، گالیله، کپلر کار بزرگی را انجام دادند تا فیزیک را به عنوان علمی که می تواند تقریباً به هر سؤالی پاسخ دهد، ایجاد کردند. جدا از هم ایستاده در یک سری کامل از اکتشافات، قانون گرانش جهانی است که فرمول نهایی آن متعلق به دانشمند برجسته انگلیسی اسحاق نیوتن است.

اهمیت اصلی کار این دانشمند نه در کشف نیروی گرانش جهانی - هم گالیله و هم کپلر در مورد وجود این کمیت حتی قبل از نیوتن صحبت کردند، بلکه در این واقعیت بود که او اولین کسی بود که ثابت کرد که همان نیروها عمل می کنند. هم بر روی زمین و هم در فضای بیرونی همان نیروهای برهمکنش بین اجسام.

نیوتن در عمل تأیید کرد و از لحاظ نظری این واقعیت را اثبات کرد که مطلقاً تمام اجسام در جهان، از جمله آنهایی که روی زمین قرار دارند، با یکدیگر تعامل دارند. این برهمکنش گرانشی نامیده می شود، در حالی که خود فرآیند گرانش جهانی را گرانش می نامند.
این فعل و انفعال بین اجسام به این دلیل است که ماده ای خاص و متفاوت وجود دارد که در علم به آن میدان گرانشی می گویند. این میدان مطلقاً در اطراف هر جسمی وجود دارد و عمل می کند و هیچ محافظتی در برابر آن وجود ندارد، زیرا توانایی منحصر به فرد برای نفوذ به هر ماده ای را دارد.

نیروی گرانش جهانی، که تعریف و فرمول آن ارائه شد، مستقیماً به حاصل ضرب جرم اجسام متقابل وابسته است و به طور معکوس به مجذور فاصله بین این اجسام وابسته است. طبق نظر نیوتن، که توسط تحقیقات عملی انکارناپذیر تأیید شده است، نیروی گرانش جهانی بر اساس فرمول زیر یافت می شود:

در آن ثابت گرانشی G از اهمیت ویژه ای برخوردار است که تقریباً برابر با 6.67*10-11(N*m2)/kg2 است.

نیروی گرانش جهانی که اجسام با آن به زمین جذب می شوند، مورد خاصی از قانون نیوتن است و گرانش نامیده می شود. در این مورد، ثابت گرانش و جرم خود زمین را می توان نادیده گرفت، بنابراین فرمول برای یافتن نیروی گرانش به این صورت خواهد بود:

در اینجا g چیزی بیش از یک شتاب نیست که مقدار عددی آن تقریباً برابر با 9.8 m/s2 است.

قانون نیوتن نه تنها فرآیندهایی را که مستقیماً روی زمین رخ می دهند توضیح می دهد، بلکه به بسیاری از سؤالات مربوط به ساختار کل منظومه شمسی پاسخ می دهد. به ویژه، نیروی گرانش جهانی تأثیر تعیین کننده ای بر حرکت سیارات در مدار آنها دارد. توصیف نظری این حرکت توسط کپلر ارائه شد، اما توجیه آن تنها پس از تدوین قانون معروف نیوتن ممکن شد.

خود نیوتن پدیده های گرانش زمینی و فرازمینی را با استفاده از یک مثال ساده به هم مرتبط کرد: هنگام شلیک، مستقیم پرواز نمی کند، بلکه در امتداد یک مسیر کمانی شکل پرواز می کند. علاوه بر این، با افزایش بار باروت و جرم هسته، دومی بیشتر و بیشتر پرواز می کند. در نهایت، اگر فرض کنیم که می توان آنقدر باروت به دست آورد و چنین توپی ساخت تا گلوله توپ در سراسر جهان پرواز کند، پس از انجام این حرکت، متوقف نمی شود، بلکه به حرکت دایره ای (بیضی) خود ادامه می دهد. در نتیجه، نیروی گرانش جهانی در طبیعت و در فضای بیرونی یکسان است.