Trọng lực là lực mạnh nhất trong Vũ trụ, một trong bốn nền tảng cơ bản của vũ trụ, quyết định cấu trúc của nó. Một lần, nhờ có cô, các hành tinh, ngôi sao và toàn bộ thiên hà trỗi dậy. Ngày nay, nó giữ Trái đất trên quỹ đạo trên hành trình không bao giờ kết thúc quanh Mặt trời.
Sự hấp dẫn có tầm quan trọng lớn đối với cuộc sống hàng ngày của con người. Nhờ sức mạnh vô hình này, các đại dương trên thế giới của chúng ta rung động, dòng sông chảy, những giọt mưa rơi xuống đất. Từ nhỏ, chúng ta cảm thấy trọng lượng của cơ thể và các vật thể xung quanh. Ảnh hưởng của trọng lực đến hoạt động kinh tế của chúng tôi là rất lớn.
Lý thuyết hấp dẫn đầu tiên được tạo ra bởi Isaac Newton vào cuối thế kỷ XVII. Luật Toàn cầu của ông mô tả sự tương tác này trong khuôn khổ của cơ học cổ điển. Rộng rãi hơn hiện tượng này đã được Einstein mô tả trong lý thuyết tương đối tổng quát của ông, được phát hành vào đầu thế kỷ trước. Các quá trình xảy ra với sức mạnh của các hạt cơ bản sẽ giải thích lý thuyết hấp dẫn lượng tử, nhưng nó vẫn chưa được tạo ra.
Ngày nay chúng ta biết về bản chất của lực hấp dẫn hơn nhiều so với thời Newton, nhưng, mặc dù đã có nhiều thế kỷ nghiên cứu, nó vẫn là một trở ngại thực sự của vật lý hiện đại. Trong lý thuyết về trọng lực hiện có, có nhiều điểm trắng và chúng ta vẫn chưa hiểu chính xác nguyên nhân gây ra nó và cách tương tác này được chuyển giao. Và, tất nhiên, chúng ta rất xa khả năng kiểm soát lực hấp dẫn, do đó, việc chống trọng lực hoặc bay lên sẽ tồn tại trong một thời gian dài chỉ trên các trang tiểu thuyết khoa học viễn tưởng.
Cái gì rơi xuống đầu Newton?
Mọi người nghĩ về bản chất của vũ lực, thứ thu hút các vật thể xuống đất mọi lúc, nhưng Isaac Newton đã cố gắng vén bức màn bí mật chỉ trong thế kỷ XVII. Cơ sở cho bước đột phá của ông đã đặt các tác phẩm của Kepler và Galileo - những nhà khoa học lỗi lạc, người đã nghiên cứu các chuyển động của các thiên thể.
Một thế kỷ nữa trước Luật Newton của thế giới, nhà thiên văn học người Ba Lan Copernicus tin rằng sức hấp dẫn là "... không có gì ngoài xu hướng tự nhiên mà cha đẻ của Vũ trụ ban tặng cho tất cả các hạt, cụ thể là hợp nhất thành một khối, tạo thành các vật thể hình cầu". Descartes coi sự hấp dẫn là hậu quả của sự nhiễu loạn trong ether thế giới. Nhà triết học và nhà khoa học Hy Lạp Aristotle đã bị thuyết phục rằng khối lượng ảnh hưởng đến tốc độ của các vật thể rơi xuống. Và chỉ Galileo Galilei vào cuối thế kỷ XVI đã chứng minh rằng điều này không đúng: nếu không có sức cản không khí, tất cả các vật thể đều được tăng tốc theo cùng một cách.
Trái với truyền thuyết chung về đầu và quả táo, Newton đã tìm hiểu bản chất của trọng lực trong hơn hai mươi năm. Định luật hấp dẫn của ông là một trong những khám phá khoa học quan trọng nhất của mọi thời đại và các dân tộc. Nó là phổ quát và cho phép bạn tính toán quỹ đạo của các thiên thể và mô tả chính xác hành vi của các vật thể xung quanh chúng ta. Lý thuyết cổ điển về thiên đàng đã đặt nền móng cho cơ học thiên thể. Ba định luật của Newton đã cho các nhà khoa học cơ hội khám phá các hành tinh mới theo nghĩa đen là "ở đầu bút", sau tất cả, nhờ có chúng, con người đã có thể vượt qua trọng lực trái đất và bay vào vũ trụ. Họ đã mang đến một cơ sở khoa học nghiêm ngặt theo khái niệm triết học về sự thống nhất vật chất của vũ trụ, trong đó tất cả các hiện tượng tự nhiên được kết nối và kiểm soát bởi các quy tắc vật lý chung.
Newton không chỉ công bố một công thức để tính toán lực hút các cơ thể với nhau, ông đã tạo ra một mô hình hoàn chỉnh, bao gồm cả phân tích toán học. Những kết luận lý thuyết này đã được xác nhận nhiều lần trong thực tế, bao gồm cả việc sử dụng các phương pháp hiện đại nhất.
Trong lý thuyết Newton, bất kỳ đối tượng vật chất nào cũng tạo ra một trường hấp dẫn, được gọi là lực hấp dẫn. Hơn nữa, lực tỷ lệ thuận với khối lượng của cả hai cơ thể và tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa chúng:
F = (G m1 m2) / r2
G là hằng số hấp dẫn, là 6,67 × 10−11 m³ / (kg · s²). Lần đầu tiên ông có thể tính toán Henry Cavendish vào năm 1798.
Trong cuộc sống hàng ngày và trong các môn học ứng dụng, lực mà trái đất thu hút cơ thể được gọi là trọng lượng của nó. Sự hấp dẫn giữa bất kỳ hai vật thể vật chất nào trong Vũ trụ là lực hấp dẫn trong những từ đơn giản.
Lực hấp dẫn là yếu nhất trong bốn tương tác cơ bản của vật lý, nhưng nhờ các tính năng của nó, nó có thể điều chỉnh chuyển động của các hệ sao và thiên hà:
- Sự hấp dẫn hoạt động ở bất kỳ khoảng cách nào, đây là sự khác biệt chính giữa trọng lực và tương tác hạt nhân mạnh và yếu. Với khoảng cách ngày càng tăng, hành động của nó giảm, nhưng nó không bao giờ trở thành số không, vì vậy chúng ta có thể nói rằng ngay cả hai nguyên tử ở hai đầu khác nhau của thiên hà cũng có tác động lẫn nhau. Nó chỉ là rất nhỏ;
- Trọng lực là phổ quát. Lĩnh vực thu hút là cố hữu trong bất kỳ cơ thể vật chất. Các nhà khoa học chưa phát hiện ra trên hành tinh của chúng ta hoặc trong không gian một vật thể sẽ không tham gia vào sự tương tác của loại này, vì vậy vai trò của lực hấp dẫn trong sự sống của Vũ trụ là rất lớn. Điều này khác với tương tác điện từ, ảnh hưởng của nó lên các quá trình không gian là tối thiểu, vì trong tự nhiên hầu hết các cơ thể đều trung hòa về điện. Lực hấp dẫn không thể bị giới hạn hoặc sàng lọc;
- Nó không chỉ tác động lên vật chất mà còn cả năng lượng. Đối với anh ta, thành phần hóa học của các vật thể không quan trọng, chỉ có khối lượng của chúng đóng vai trò.
Sử dụng công thức của Newton, lực hấp dẫn có thể được tính toán dễ dàng. Ví dụ, trọng lực trên mặt trăng nhỏ hơn nhiều lần so với Trái đất, bởi vì vệ tinh của chúng ta có khối lượng tương đối nhỏ. Nhưng nó là đủ để hình thành dòng nước chảy và dòng chảy đều đặn trong các đại dương. Trên trái đất, gia tốc rơi tự do là khoảng 9,81 m / s2. Và ở hai cực, nó có phần lớn hơn ở xích đạo.
Mặc dù tầm quan trọng to lớn đối với sự phát triển hơn nữa của khoa học, các định luật của Newton có một số điểm yếu không dành cho các nhà nghiên cứu. Không rõ trọng lực tác động như thế nào qua một không gian hoàn toàn trống rỗng trong khoảng cách rất lớn và với tốc độ không thể tưởng tượng được. Ngoài ra, dữ liệu dần dần bắt đầu tích lũy mà mâu thuẫn với các định luật của Newton: ví dụ, nghịch lý hấp dẫn hoặc sự dịch chuyển của sự hủy diệt của Sao Thủy. Rõ ràng là lý thuyết về sự xâm lược phổ quát đòi hỏi phải sàng lọc. Vinh dự này đã rơi vào rất nhiều nhà vật lý tài giỏi người Đức Albert Einstein.
Thu hút và lý thuyết tương đối
Việc Newton từ chối thảo luận về bản chất của lực hấp dẫn (Hiện tôi không phát minh ra giả thuyết) là một điểm yếu rõ ràng trong quan niệm của ông. Không có gì đáng ngạc nhiên, trong những năm sau đó, nhiều giả thuyết về lực hấp dẫn đã xuất hiện.
Hầu hết chúng thuộc về cái gọi là mô hình thủy động lực học, chúng cố gắng chứng minh sự xuất hiện của sự tương tác cơ học của các vật thể với một số chất trung gian có tính chất nhất định. Các nhà nghiên cứu gọi nó là khác nhau: "chân không", "ether", "thông lượng graviton", v.v. Trong trường hợp này, lực hút giữa các cơ thể nảy sinh do sự thay đổi của chất này, khi nó được hấp thụ bởi các vật thể hoặc dòng chảy được sàng lọc. Trong thực tế, tất cả các lý thuyết như vậy đều có một nhược điểm nghiêm trọng: dự đoán chính xác sự phụ thuộc của lực hấp dẫn vào khoảng cách, chúng phải dẫn đến sự giảm tốc của các cơ thể di chuyển so với dòng ether ether hay dòng graviton thông lượng.
Einstein đã tiếp cận vấn đề này từ một góc độ khác. Trong lý thuyết tương đối tổng quát (GTR) của ông, lực hấp dẫn được xem không phải là sự tương tác của các lực, mà là một tính chất của chính không thời gian. Bất kỳ đối tượng có khối lượng dẫn đến độ cong của nó, gây ra sự thu hút. Trong trường hợp này, trọng lực là một hiệu ứng hình học, được xem xét trong khuôn khổ của hình học phi Euclide.
Nói một cách đơn giản, sự liên tục không-thời gian ảnh hưởng đến vật chất, gây ra sự chuyển động của nó. Và điều đó, đến lượt nó, ảnh hưởng đến không gian, "chỉ" cho anh ta cách uốn cong.
Các lực hấp dẫn tác động trong thế giới vi mô, nhưng ở mức độ các hạt cơ bản, ảnh hưởng của chúng, so với tương tác tĩnh điện, là không đáng kể. Các nhà vật lý tin rằng tương tác hấp dẫn không thua kém những người khác trong những khoảnh khắc đầu tiên (10 -43 giây) sau Vụ nổ lớn.
Hiện nay, khái niệm trọng lực, được đề xuất trong lý thuyết tương đối tổng quát, là giả thuyết hoạt động chính được đa số cộng đồng khoa học chấp nhận và được xác nhận bởi kết quả của nhiều thí nghiệm.
Einstein trong công trình của mình đã thấy trước những tác động đáng kinh ngạc của lực hấp dẫn, hầu hết trong số đó đã được xác nhận. Ví dụ, khả năng các cơ thể khổng lồ bẻ cong các tia sáng và thậm chí làm chậm thời gian trôi qua. Hiện tượng thứ hai nhất thiết phải được tính đến khi vận hành các hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu như GLONASS và GPS, nếu không trong vài ngày, lỗi của chúng sẽ là hàng chục km.
Ngoài ra, hậu quả của lý thuyết Einstein là cái gọi là hiệu ứng tinh tế của trọng lực, như từ trường trọng lực và quán tính của các hệ quy chiếu quán tính (còn gọi là hiệu ứng Lense-Thirring). Những biểu hiện của lực yếu đến mức trong một thời gian dài chúng không thể được phát hiện. Chỉ trong năm 2005, nhờ nhiệm vụ Gravity dò B độc đáo của NASA, hiệu ứng Lense-Thirring đã được xác nhận.
Bức xạ hấp dẫn hoặc khám phá cơ bản nhất của những năm gần đây
Sóng hấp dẫn là dao động của cấu trúc không gian-thời gian hình học, lan truyền với tốc độ ánh sáng. Sự tồn tại của hiện tượng này cũng được Einstein tiên đoán trong thuyết tương đối rộng, nhưng do sự yếu kém của lực, cường độ của nó rất nhỏ, do đó nó không thể được phát hiện trong một thời gian dài. Chỉ có bằng chứng gián tiếp nói ủng hộ sự tồn tại của bức xạ.
Các sóng như vậy tạo ra bất kỳ vật thể vật chất nào chuyển động với gia tốc không đối xứng. Các nhà khoa học mô tả chúng là "những gợn sóng không-thời gian". Các nguồn bức xạ mạnh nhất như vậy là các thiên hà va chạm và các hệ thống sụp đổ bao gồm hai vật thể. Một ví dụ điển hình của trường hợp sau là sự hợp nhất của các lỗ đen hoặc sao neutron. Trong các quá trình như vậy, bức xạ hấp dẫn có thể vượt qua hơn 50% tổng khối lượng của hệ thống.
Sóng hấp dẫn được phát hiện lần đầu tiên vào năm 2015 bằng cách sử dụng hai đài quan sát LIGO. Gần như ngay lập tức, sự kiện này đã nhận được trạng thái của khám phá lớn nhất trong vật lý trong những thập kỷ gần đây. Năm 2017, giải thưởng Nobel đã được trao cho ông. Sau đó, các nhà khoa học đã nhiều lần có thể khắc phục bức xạ hấp dẫn.
Trở lại những năm 70 của thế kỷ trước - rất lâu trước khi xác nhận thử nghiệm - các nhà khoa học đề nghị sử dụng bức xạ hấp dẫn để thực hiện liên lạc đường dài. Ưu điểm không thể nghi ngờ của nó là khả năng cao để đi qua bất kỳ chất nào mà không bị hấp thụ. Nhưng ở thời điểm hiện tại, điều đó là khó có thể, bởi vì có những khó khăn to lớn với việc tạo ra và tiếp nhận những con sóng này. Vâng, và kiến thức thực sự về bản chất của trọng lực là không đủ.
Ngày nay, có một số cài đặt ở các quốc gia khác nhau trên thế giới, tương tự như LIGO và những cái mới đang được xây dựng. Có khả năng trong tương lai gần chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về bức xạ hấp dẫn.
Các lý thuyết thay thế về độ rộng của thế giới và lý do cho sự sáng tạo của họ
Hiện nay, khái niệm chủ yếu của trọng lực là GR. Nó đồng ý với toàn bộ mảng dữ liệu thử nghiệm và quan sát hiện có. Đồng thời, nó có một số lượng lớn các điểm yếu quá mức và các điểm gây tranh cãi, do đó, nỗ lực tạo ra các mô hình mới giải thích bản chất của trọng lực không dừng lại.
Tất cả các lý thuyết về nhận thức trên toàn thế giới đã được phát triển cho đến nay có thể được chia thành nhiều nhóm chính:
- tiêu chuẩn;
- thay thế;
- lượng tử;
- lý thuyết trường đơn.
Nỗ lực tạo ra một khái niệm mới về thế giới đã được thực hiện trong thế kỷ XIX. Các tác giả khác nhau bao gồm ether hoặc lý thuyết ánh sáng. Nhưng sự ra đời của GR đã chấm dứt những khám phá này. Sau khi được công bố, mục tiêu của các nhà khoa học đã thay đổi - bây giờ những nỗ lực của họ nhằm cải thiện mô hình Einstein, bao gồm các hiện tượng tự nhiên mới trong đó: mặt sau của các hạt, sự giãn nở của Vũ trụ, v.v.
Đến đầu những năm 1980, các nhà vật lý đã từ chối thực nghiệm tất cả các khái niệm, ngoại trừ những khái niệm bao gồm GTR là một phần không thể thiếu. Tại thời điểm này, đã xuất hiện những "lý thuyết dây" thịnh hành, trông rất hứa hẹn. Nhưng một xác nhận có kinh nghiệm về những giả thuyết này đã không được tìm thấy. Trong những thập kỷ qua, khoa học đã đạt đến một tầm cao đáng kể và đã tích lũy được một lượng lớn dữ liệu thực nghiệm. Ngày nay, những nỗ lực tạo ra các lý thuyết thay thế về trọng lực được lấy cảm hứng chủ yếu từ nghiên cứu vũ trụ liên quan đến các khái niệm như "vật chất tối", "lạm phát", "năng lượng tối".
Một trong những nhiệm vụ chính của vật lý hiện đại là thống nhất hai hướng cơ bản: lý thuyết lượng tử và thuyết tương đối rộng. Các nhà khoa học tìm cách liên kết sự hấp dẫn với các loại tương tác khác, do đó tạo ra một lý thuyết về mọi thứ của mọi người. Đây chính xác là những gì lực hấp dẫn lượng tử đang làm - một nhánh của vật lý đang cố gắng đưa ra một mô tả lượng tử về tương tác hấp dẫn. Một nhánh của hướng này là lý thuyết về trọng lực vòng.
Mặc dù có những nỗ lực tích cực và lâu dài, mục tiêu này vẫn chưa đạt được. Và vấn đề thậm chí không nằm ở sự phức tạp của nhiệm vụ này: đơn giản là nền tảng của lý thuyết lượng tử và GR là những mô hình hoàn toàn khác nhau. Cơ học lượng tử hoạt động với các hệ thống vật lý hoạt động dựa trên nền tảng của không-thời gian thông thường. Và trong lý thuyết tương đối, bản thân không-thời gian là một thành phần động, tùy thuộc vào các tham số của các hệ thống cổ điển có trong đó.
Cùng với các giả thuyết khoa học của thế giới, cũng có những lý thuyết khác xa với vật lý hiện đại. Thật không may, trong những năm gần đây, "opus" như vậy chỉ tràn ngập Internet và các kệ sách của các hiệu sách. Một số tác giả của những tác phẩm như vậy thường thông báo cho người đọc rằng lực hấp dẫn không tồn tại, và định luật của Newton và Einstein là những phát minh và bí ẩn.
Một ví dụ là công trình của nhà khoa học người Hồi giáo Nikol Nikolai Levashov, người khẳng định rằng Newton không khám phá ra quy luật của thế giới và chỉ có các hành tinh và mặt trăng của chúng ta, mặt trăng, có lực hấp dẫn trong hệ mặt trời. Bằng chứng về "nhà khoa học Nga" này dẫn đến khá kỳ lạ. Một trong số đó là chuyến bay của tàu thăm dò NEAR Shoemaker của Mỹ đến tiểu hành tinh Eros, diễn ra vào năm 2000. Sự vắng mặt của sự hấp dẫn giữa tàu thăm dò và thiên thể Levashov xem xét bằng chứng về sự giả dối trong các tác phẩm của Newton và âm mưu của các nhà vật lý che giấu sự thật về lực hấp dẫn của con người.
Trên thực tế, tàu vũ trụ đã hoàn thành thành công nhiệm vụ của mình: đầu tiên, nó đi vào quỹ đạo tiểu hành tinh, và sau đó thực hiện một cuộc hạ cánh mềm mại trên bề mặt của nó.
Trọng lực nhân tạo và tại sao cần thiết
Hai khái niệm có liên quan đến trọng lực, mặc dù tình trạng lý thuyết hiện tại của chúng, được công chúng biết đến. Điều này chống hấp dẫn và trọng lực nhân tạo.
Phản lực là quá trình chống lại lực hấp dẫn, có thể làm giảm đáng kể hoặc thậm chí thay thế nó bằng lực đẩy. Nắm vững công nghệ này sẽ dẫn đến một cuộc cách mạng thực sự trong vận tải, hàng không, khám phá không gian bên ngoài và thay đổi hoàn toàn cuộc sống của chúng ta. Nhưng hiện tại, khả năng chống trọng lực thậm chí không có xác nhận lý thuyết. Hơn nữa, dựa trên GTR, hiện tượng này hoàn toàn không khả thi, vì không thể có khối lượng âm trong Vũ trụ của chúng ta. Có thể trong tương lai chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về trọng lực và học cách chế tạo máy bay dựa trên nguyên tắc này.
Trọng lực nhân tạo là một sự thay đổi nhân tạo đối với lực hấp dẫn hiện có. Ngày nay, chúng tôi không cần công nghệ như vậy, nhưng tình hình chắc chắn sẽ thay đổi sau khi bắt đầu du hành vũ trụ dài hạn. Và điều là sinh lý của chúng tôi. Cơ thể con người, "quen" bởi hàng triệu năm tiến hóa với lực hấp dẫn không đổi của Trái đất, cực kỳ tiêu cực về tác động của việc giảm trọng lực. Ở lại lâu ngay cả trong điều kiện trọng lực mặt trăng (yếu hơn sáu lần so với trái đất) có thể dẫn đến hậu quả đáng buồn. Ảo tưởng về sự hấp dẫn có thể được tạo ra bằng cách sử dụng các lực vật lý khác, chẳng hạn như quán tính. Tuy nhiên, các tùy chọn này rất phức tạp và đắt tiền. 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.
