Die Schwerkraft ist die mächtigste Kraft im Universum, eine der vier fundamentalen Grundlagen des Universums, die seine Struktur bestimmen. Einmal entstanden dank ihr Planeten, Sterne und ganze Galaxien. Heute hält es die Erde auf ihrer nie endenden Reise um die Sonne im Orbit.
Die Anziehungskraft ist für das tägliche Leben des Menschen von großer Bedeutung. Dank dieser unsichtbaren Kraft pulsieren die Ozeane unserer Welt, Flüsse fließen, Regentropfen fallen zu Boden. Seit der Kindheit spüren wir das Gewicht unseres Körpers und der umliegenden Objekte. Der Einfluss der Schwerkraft auf unsere wirtschaftliche Tätigkeit ist immens.
Die erste Theorie der Schwerkraft wurde von Isaac Newton am Ende des 17. Jahrhunderts entwickelt. Sein Law of Worldwide beschreibt dieses Zusammenspiel im Rahmen der klassischen Mechanik. Dieses Phänomen wurde allgemein von Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben, die zu Beginn des letzten Jahrhunderts veröffentlicht wurde. Die Prozesse, die mit der Kraft der Elementarteilchen ablaufen, sollten die Quantentheorie der Schwerkraft erklären, aber sie muss noch geschaffen werden.
Heute wissen wir mehr über die Natur der Schwerkraft als zur Zeit von Newton, aber trotz jahrhundertelanger Studien ist sie immer noch ein echter Stolperstein der modernen Physik. In der bestehenden Theorie der Schwerkraft gibt es viele weiße Flecken, und wir wissen immer noch nicht genau, was sie verursacht und wie diese Wechselwirkung übertragen wird. Und natürlich sind wir noch weit davon entfernt, die Schwerkraft kontrollieren zu können, so dass Anti-Schwerkraft oder Levitation nur auf den Seiten von Science-Fiction-Romanen lange Zeit existieren wird.
Was fiel Newton auf den Kopf?
Die Menschen dachten über die Natur der Gewalt nach, die zu allen Zeiten Gegenstände auf den Boden zieht, aber Isaac Newton gelang es erst im 17. Jahrhundert, den Schleier der Geheimhaltung aufzuheben. Die Basis für seinen Durchbruch bildeten die Arbeiten von Kepler und Galileo - brillanten Wissenschaftlern, die die Bewegungen von Himmelskörpern untersuchten.
Eineinhalb Jahrhunderte vor dem Newtonschen Weltgesetz glaubte der polnische Astronom Copernicus, Anziehungskraft sei "... nichts anderes als die natürliche Tendenz, mit der der Vater des Universums alle Teilchen begab, nämlich sich zu einem Ganzen zu vereinigen und sphärische Körper zu bilden". Descartes betrachtete die Anziehungskraft als Folge von Störungen im Weltether. Der griechische Philosoph und Wissenschaftler Aristoteles war überzeugt, dass die Masse die Geschwindigkeit fallender Körper beeinflusst. Und nur Galileo Galilei am Ende des 16. Jahrhunderts hat bewiesen, dass dies nicht stimmt: Wenn es keinen Luftwiderstand gibt, werden alle Objekte auf dieselbe Weise beschleunigt.
Entgegen der weit verbreiteten Legende von Kopf und Apfel verstand Newton die Natur der Schwerkraft für mehr als zwanzig Jahre. Sein Gravitationsgesetz ist eine der bedeutendsten wissenschaftlichen Entdeckungen aller Zeiten und Völker. Es ist universell und ermöglicht es Ihnen, die Flugbahnen von Himmelskörpern zu berechnen und das Verhalten von Objekten um uns herum genau zu beschreiben. Die klassische Theorie des Himmels legte die Grundlagen der Himmelsmechanik. Newtons drei Gesetze gaben den Wissenschaftlern die Möglichkeit, neue Planeten buchstäblich "an der Stiftspitze" zu entdecken. Schließlich gelang es dem Menschen, die Erdanziehungskraft zu überwinden und in den Weltraum zu fliegen. Sie brachten eine strenge wissenschaftliche Basis unter dem philosophischen Konzept der materiellen Einheit des Universums, in der alle natürlichen Phänomene miteinander verbunden und durch allgemeine physikalische Regeln kontrolliert werden.
Newton veröffentlichte nicht nur eine Formel zur Berechnung der Kraft, die Körper miteinander anzieht, sondern ein komplettes Modell, das auch mathematische Analysen beinhaltete. Diese theoretischen Schlussfolgerungen wurden in der Praxis wiederholt bestätigt, auch unter Verwendung modernster Methoden.
In der Newtonschen Theorie erzeugt jedes materielle Objekt ein Anziehungsfeld, das Gravitation genannt wird. Darüber hinaus ist die Kraft proportional zur Masse beider Körper und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen ihnen:
F = (Gm1 m2) / r2
G ist die Gravitationskonstante, die 6,67 × 10–11 m³ / (kg · s²) beträgt. Henry Cavendish konnte er erstmals 1798 berechnen.
Im Alltag und in angewandten Disziplinen wird die Kraft, mit der die Erde den Körper anzieht, als Gewicht bezeichnet. Die Anziehungskraft zwischen zwei materiellen Objekten im Universum ist die Schwerkraft in einfachen Worten.
Die Anziehungskraft ist die schwächste der vier grundlegenden Wechselwirkungen der Physik, aber dank ihrer Eigenschaften kann sie die Bewegung von Sternensystemen und Galaxien regulieren:
- Die Anziehungskraft wirkt in jeder Entfernung, dies ist der Hauptunterschied zwischen der Schwerkraft und starken und schwachen Kernwechselwirkungen. Mit zunehmender Entfernung nimmt seine Wirkung ab, wird jedoch nie zu Null, sodass wir sagen können, dass sogar zwei Atome an verschiedenen Enden der Galaxie sich gegenseitig beeinflussen. Es ist nur sehr klein;
- Die Schwerkraft ist universell. Das Anziehungsfeld ist jedem materiellen Körper inhärent. Wissenschaftler haben auf unserem Planeten oder im Weltraum noch kein Objekt entdeckt, das an der Interaktion dieses Typs nicht beteiligt wäre. Die Rolle der Schwerkraft im Leben des Universums ist also enorm. Dies unterscheidet sich von der elektromagnetischen Wechselwirkung, deren Auswirkung auf Weltraumprozesse minimal ist, da die meisten Körper in der Natur elektrisch neutral sind. Gravitationskräfte können nicht begrenzt oder gescreent werden;
- Es wirkt nicht nur auf Materie, sondern auch auf Energie. Für ihn spielt die chemische Zusammensetzung der Gegenstände keine Rolle, nur ihre Masse spielt eine Rolle.
Mit der Newtonschen Formel kann die Anziehungskraft leicht berechnet werden. Zum Beispiel ist die Schwerkraft auf dem Mond um ein Vielfaches geringer als auf der Erde, da unser Satellit eine relativ kleine Masse hat. Aber es genügt, sich regelmäßig in den Ozeanen zu bewegen. Auf der Erde beträgt die Beschleunigung des freien Falls etwa 9,81 m / s2. Und an den Polen ist es etwas größer als am Äquator.
Trotz der enormen Bedeutung für die weitere Entwicklung der Wissenschaft hatten Newtons Gesetze eine Reihe von Schwachstellen, die den Forschern keine Ruhe gaben. Es war nicht klar, wie die Schwerkraft durch einen absolut leeren Raum für enorme Entfernungen und mit einer unvorstellbaren Geschwindigkeit wirkt. Darüber hinaus sammelten sich nach und nach Daten, die gegen Newtons Gesetze verstießen, beispielsweise das Gravitationsparadox oder die Verschiebung des Quecksilberperihels. Es wurde offensichtlich, dass die Theorie der universellen Aggression eine Verfeinerung erfordert. Diese Ehre fiel dem brillanten deutschen Physiker Albert Einstein zu.
Anziehung und Relativitätstheorie
Newtons Weigerung, die Natur der Schwerkraft zu diskutieren („Ich erfasse keine Hypothesen“), war eine offensichtliche Schwäche seines Konzepts. Es ist nicht überraschend, dass in den folgenden Jahren viele Theorien der Schwerkraft auftraten.
Die meisten von ihnen gehörten zu den sogenannten hydrodynamischen Modellen, die versuchten, die Entstehung einer mechanischen Wechselwirkung materieller Objekte mit einer Zwischensubstanz zu rechtfertigen, die bestimmte Eigenschaften besitzt. Die Forscher nannten es anders: "Vakuum", "Äther", "Graviton-Fluss" usw. In diesem Fall entstand die Anziehungskraft zwischen den Körpern als Folge einer Änderung dieser Substanz, wenn sie von Gegenständen oder gesichteten Flüssen absorbiert wurde. In der Realität hatten alle diese Theorien einen gravierenden Nachteil: Sie mussten die Abhängigkeit der Gravitationskraft von der Entfernung ziemlich genau vorhersagen und mussten dazu führen, dass sich Körper bewegten, die sich relativ zum „Äther“ oder „Gravitonfluss“ bewegten.
Einstein ging dieses Thema aus einem anderen Blickwinkel an. In seiner allgemeinen Relativitätstheorie (GTR) wird Schwerkraft nicht als Wechselwirkung von Kräften, sondern als Eigenschaft der Raumzeit selbst betrachtet. Jedes Objekt mit einer Masse führt zu seiner Krümmung, die eine Anziehung verursacht. In diesem Fall ist die Schwerkraft ein geometrischer Effekt, der im Rahmen der nichteuklidischen Geometrie betrachtet wird.
Einfach gesagt, beeinflusst das Raum-Zeit-Kontinuum die Materie und verursacht ihre Bewegung. Und das wiederum wirkt sich auf den Raum aus und zeigt ihm, wie er sich beugen soll.
Die Anziehungskräfte wirken im Mikrokosmos, aber auf der Ebene der Elementarteilchen ist ihr Einfluss im Vergleich zur elektrostatischen Wechselwirkung vernachlässigbar. Physiker glauben, dass die Wechselwirkung der Schwerkraft in den ersten Momenten (10-43 Sekunden) nach dem Urknall den anderen nicht unterlegen war.
Derzeit ist der Begriff der Schwerkraft, der in der allgemeinen Relativitätstheorie vorgeschlagen wird, die Hauptarbeitshypothese, die von der Mehrheit der wissenschaftlichen Gemeinschaft akzeptiert und durch die Ergebnisse zahlreicher Experimente bestätigt wird.
Einstein hat in seiner Arbeit die erstaunlichen Auswirkungen der Gravitationskräfte vorausgesehen, von denen die meisten bereits bestätigt wurden. Zum Beispiel die Möglichkeit massiver Körper, Lichtstrahlen zu biegen und sogar den Lauf der Zeit zu verlangsamen. Das letztgenannte Phänomen wird beim Betrieb globaler Satellitennavigationssysteme wie GLONASS und GPS unbedingt berücksichtigt, da in einigen Tagen der Fehler Dutzende Kilometer betragen würde.
Die Konsequenz von Einsteins Theorie sind außerdem die sogenannten subtilen Auswirkungen der Schwerkraft, wie das Schwerkraft-Magnetfeld und die Trägheit von Trägheitsreferenzsystemen (auch als Lense-Thirring-Effekt bezeichnet). Diese Krafterscheinungen sind so schwach, dass sie lange Zeit nicht entdeckt werden konnten. Erst 2005 wurde dank der einzigartigen NASA-Mission Gravity Probe B der Lense-Thirring-Effekt bestätigt.
Gravitationsstrahlung oder die grundlegendste Entdeckung der letzten Jahre
Gravitationswellen sind Schwingungen einer geometrischen Raum-Zeit-Struktur, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Die Existenz dieses Phänomens wurde auch von Einstein in der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, aber aufgrund der Schwäche der Kraft ist ihre Stärke sehr klein und konnte daher lange Zeit nicht erkannt werden. Nur indirekte Beweise sprechen für die Existenz von Strahlung.
Solche Wellen erzeugen alle materiellen Objekte, die sich mit asymmetrischer Beschleunigung bewegen. Wissenschaftler beschreiben sie als "Raum-Zeit-Wellen". Die stärksten Quellen einer solchen Strahlung sind kollidierende Galaxien und kollabierende Systeme, die aus zwei Objekten bestehen. Ein typisches Beispiel für den letzteren Fall ist die Verschmelzung von schwarzen Löchern oder Neutronensternen. Bei solchen Prozessen kann die Schwerkraftstrahlung mehr als 50% der Gesamtmasse des Systems passieren.
Gravitationswellen wurden 2015 erstmals mit zwei LIGO-Observatorien entdeckt. Fast sofort erhielt dieses Ereignis den Status der größten Entdeckung der Physik in den letzten Jahrzehnten. 2017 wurde ihm der Nobelpreis verliehen. Danach konnten Wissenschaftler die Gravitationsstrahlung mehrmals fixieren.
In den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts - lange vor der experimentellen Bestätigung - schlugen die Wissenschaftler vor, die Gravitationsstrahlung für die Fernkommunikation einzusetzen. Sein unbestrittener Vorteil ist die hohe Fähigkeit, jede Substanz zu passieren, ohne absorbiert zu werden. Gegenwärtig ist dies jedoch kaum möglich, da die Erzeugung und der Empfang dieser Wellen mit enormen Schwierigkeiten verbunden sind. Ja, und wirkliches Wissen über die Natur der Schwerkraft reicht nicht aus.
Heute gibt es mehrere Installationen in verschiedenen Ländern der Welt, ähnlich wie LIGO, und neue werden gerade gebaut. Es ist wahrscheinlich, dass wir in naher Zukunft mehr über die Strahlung der Schwerkraft erfahren werden.
Alternative Theorien über die Weltweite Breite und die Gründe für ihre Entstehung
Der vorherrschende Begriff der Schwerkraft ist derzeit GR. Es stimmt mit dem gesamten vorhandenen Feld experimenteller Daten und Beobachtungen überein. Gleichzeitig weist es eine Vielzahl von Schwachstellen und umstrittenen Punkten auf, weshalb der Versuch, neue Modelle zu erstellen, die die Natur der Schwerkraft erklären, nicht aufhört.
Alle bisher entwickelten Theorien der weltweiten Wahrnehmung können in mehrere Hauptgruppen unterteilt werden:
- Standard;
- alternative;
- Quantum;
- Einzelfeldtheorie.
Im 19. Jahrhundert wurde versucht, ein neues Weltbild zu schaffen. Verschiedene Autoren schlossen den Äther oder die Korpuskeltheorie des Lichts ein. Das Aufkommen der GR machte diesen Erkundungen ein Ende. Nach seiner Veröffentlichung hat sich das Ziel der Wissenschaftler geändert - nun wurde das Einstein-Modell verbessert, einschließlich neuer Naturphänomene: der Partikelrücken, der Ausbau des Universums usw.
Zu Beginn der achtziger Jahre lehnten Physiker alle Konzepte experimentell ab, mit Ausnahme derjenigen, die die GTR als integralen Bestandteil einnahmen. Zu dieser Zeit kamen "Stringtheorien" in Mode, die vielversprechend wirkten. Eine erfahrene Bestätigung dieser Hypothesen wurde jedoch nicht gefunden. In den letzten Jahrzehnten hat die Wissenschaft bedeutende Höhen erreicht und eine Vielzahl empirischer Daten gesammelt. Versuche, alternative Theorien über die Schwerkraft zu entwickeln, werden heute hauptsächlich von kosmologischen Forschungen inspiriert, die sich auf Begriffe wie "dunkle Materie", "Inflation", "dunkle Energie" beziehen.
Eine der Hauptaufgaben der modernen Physik ist die Vereinigung zweier grundlegender Richtungen: der Quantentheorie und der allgemeinen Relativitätstheorie. Wissenschaftler versuchen, die Anziehungskraft mit anderen Interaktionstypen in Verbindung zu bringen und so eine „Theorie von allem“ zu schaffen. Genau das tut die Quantengravitation - ein Zweig der Physik, der versucht, eine Quantenbeschreibung der Gravitationswechselwirkung zu geben. Ein Zweig dieser Richtung ist die Theorie der Schwerkraft der Schleife.
Trotz aktiver und langfristiger Anstrengungen wurde dieses Ziel noch nicht erreicht. Und die Angelegenheit liegt nicht einmal in der Komplexität dieser Aufgabe: Es ist einfach so, dass die Grundlage der Quantentheorie und des GR völlig andere Paradigmen sind. Die Quantenmechanik arbeitet mit physikalischen Systemen, die vor dem Hintergrund der gewöhnlichen Raumzeit wirken. In der Relativitätstheorie ist die Raumzeit selbst eine dynamische Komponente, die von den Parametern der klassischen Systeme abhängt.
Neben den wissenschaftlichen Hypothesen der Welt gibt es auch Theorien, die von der modernen Physik weit entfernt sind. Leider haben solche "Opus" in den letzten Jahren das Internet und die Regale von Buchhandlungen überflutet. Einige Autoren solcher Werke informieren den Leser im Allgemeinen darüber, dass keine Schwerkraft existiert, und die Gesetze von Newton und Einstein sind Erfindungen und Mystifikationen.
Ein Beispiel ist die Arbeit des „Wissenschaftlers“ Nikolai Levashov, der behauptet, Newton habe das Gesetz der Welt nicht entdeckt, und nur die Planeten und unser Mond, der Mond, haben im Sonnensystem eine Gravitationskraft. Der Beweis dieses "russischen Wissenschaftlers" führt ziemlich seltsam aus. Eine davon ist der Flug der amerikanischen NEAR Shoemaker-Sonde zum Asteroiden Eros, der im Jahr 2000 stattfand. Das Fehlen einer Anziehung zwischen der Sonde und dem Himmelskörper Levaschow betrachtet Beweise für die Falschheit von Newtons Werken und die Verschwörung von Physikern, die die Wahrheit über die Schwerkraft vor den Menschen verbergen.
Tatsächlich hat das Raumfahrzeug seine Mission erfolgreich abgeschlossen: Zuerst ging es in den Asteroidenorbit und landete dann sanft auf seiner Oberfläche.
Die künstliche Schwerkraft und warum sie gebraucht wird
Mit der Schwerkraft sind zwei Konzepte verbunden, die trotz ihres derzeitigen theoretischen Status in der Öffentlichkeit allgemein bekannt sind. Diese Antigravitation und künstliche Schwerkraft.
Antigravitation ist der Prozess der Gegenkraft der Schwerkraft, die sie erheblich reduzieren oder sogar durch Abstoßung ersetzen kann. Die Beherrschung dieser Technologie würde zu einer echten Revolution im Verkehrswesen, in der Luftfahrt, zur Erforschung des Weltraums führen und unser gesamtes Leben radikal verändern. Gegenwärtig gibt es jedoch keine theoretische Bestätigung für die Möglichkeit der Antigravitation. Darüber hinaus ist dieses Phänomen, basierend auf der GTR, überhaupt nicht machbar, da es in unserem Universum keine negative Masse geben kann. Es ist möglich, dass wir in Zukunft mehr über die Schwerkraft lernen und lernen, Flugzeuge nach diesem Prinzip zu bauen.
Die künstliche Schwerkraft ist eine von Menschen gemachte Veränderung der vorhandenen Schwerkraft. Heute brauchen wir diese Technologie nicht, aber die Situation wird sich nach dem Start der langfristigen Raumfahrt definitiv ändern. Und die Sache ist unsere Physiologie. Der menschliche Körper, der durch die Entwicklung von Millionen von Jahren an die konstante Schwerkraft der Erde "gewöhnt" wurde, wirkt sich äußerst negativ auf die Auswirkungen der reduzierten Schwerkraft aus. Ein längerer Aufenthalt selbst unter den Bedingungen der Mondschwere (sechsmal schwächer als die der Erde) kann zu traurigen Folgen führen. Die Illusion der Anziehung kann durch andere physikalische Kräfte wie Trägheit erzeugt werden. Diese Optionen sind jedoch komplex und teuer. В настоящий момент искусственная гравитация не имеет даже теоретических обоснований, очевидно, что ее возможная практическая реализация - это дело весьма отдаленного будущего.
Сила тяжести - это понятие, известное каждому еще со школьной скамьи. Казалось бы, ученые должны были досконально исследовать этот феномен! Но гравитация так и остается глубочайшей тайной для современной науки. И это можно назвать прекрасным примером того, насколько ограничены знания человека о нашем огромном и замечательном мире.
