ГРАВИТАЦИЯ

ГРАВИТАЦИЯ чети
Гравитацията е силата на привличане между телата в следствие на тяхнатамаса. Масата на дадено тяло е неговото количество материя. Порадигравитацията, обектите в близост до Земята падат към нейнатаповърхност. Обект, който вече е на повърхността, изпитва притисканенадолу поради гравитацията. Ние чувстваме тази сила като тегло.Гравитацията държи горещите газове, които образуват нашето слънце ипридържа планетите в техните орбити около него.

Хората не са разбирали гравитацията в продължение на векове. Преди 2300 години древногръцкият мислител Аристотел е мислел, че тежките телападат по-бързо от леките. Хората са приемали тази грешна концепция чакдо началото на 16ти век, когато Галилео Галилей я поправя. СпоредГалилео всички тела се ускоряват еднакво, освен ако въздушнотосъпротивление не е различно или не им влияе някаква друга сила.Ускорението е темпото, с което се изменя скоростта на дадено тяло. Такаако пуснем леко и тежко тяло от високо едновременно и двете тела щедостигнат земната повърхност в едно и също време.

Закона на Нютон за гравитацията

Още древните астрономи са измервали движението на Луната и планетите нанебето. Обаче никой не е могъл да обясни тяхното движение до началотона 1600-те. Тогава английският учен Исак Нютон описва връзката междудвижението на планетите и земната гравитация.

През 1665 г., когато Нютон бил на 23 години, падаща ябълка го накаралада се замисли, колко далече стига гравитацията. Нютон обяснява своетооткритие през 1687 г. в труд, наречен Philosophiae naturalis principiamathematica (Математически принципи на естествената философия).Използвайки закони за движението на планетите, открити от немскияастроном Йоханес Кеплер, Нютон обяснява как слънчевата гравитациянамалява с отдалечаване от слънцето. Тогава той приема, че земнатагравитация също намалява с отдалечаване от Земята. Нютон знаел, чеземната гравитация държи луната в нейната орбита и изчислил силата йчрез разстоянието до Луната. Така той изчислил каква е силата наповърхността на Земята. Полученият резултата бил същия, като този,изведен при изчисляване на ускорението на падащата ябълка.

Нютон казва, че гравитационната сила между две тела е правопропорционална на техните маси. Колкото е по-голяма масата на двететела, толкова е по-голяма силата им на привличане. Закона още казва, чегравитационната сила е обратно пропорционална на разстоянието междудвете тела, умножено по себе си. На пример, ако разстоянието между дветела се увеличи двойно, гравитационната им сила ще намалее четворно.Закона на Нютон за гравитацията е където F е гравитационната сила между два обекта, m1и m2 са техните маси, а d2 е разстоянието между тях на квадрат.

До началото на миналия век, учените са наблюдавали само едно движение,което не може да се опише със закона на Нютон – вариация в орбитата напланетата Меркурий около слънцето. Орбитата на Меркурий, както и надругите планети, е елипсовидна. Слънцето не е точния център наелипсата. Но положението на най-близката точка до слънцето се променявсеки път, когато Меркурий направи една обиколка около него.Астрономите наричат тази вариация прецесия.

Учените използвали закона на Нютон, за да изчислят прецесията, но полученият резултат се различавал от наблюдаваната прецесия.

Теорията на Айнщайн за гравитацията

През 1915 година, родения в Германия физик, Алберт Айнщайн публикувасвоята теория за пространство, време и гравитация – общата теория наотносителността. Тази теория напълно променя начина на мислене научените, когато става дума за гравитация. Обаче тя допълва закона наНютон, вместо да му се противопоставя.

В много случаи теорията на Айнщайн поражда само малки разлики всравнение със законите на Нютон. На пример, когато Айнщайн изчислилорбитата на Меркурий, използвайки своята теория, отговора съвпадналточно с наблюденията на астрономите. Това е първото доказателство заверността на теорията на Айнщайн.

Айнщайн базира теорията си на две предположения. Първото е свързано свремепространството, а второто е правилото за принципа наравнозначността.

Времепространство

В сложната математика на относителността времето и пространството не санапълно отделни неща. Физиците ги комбинират във времепространство –комбинация от времето и трите пространствени измерения – дължина,ширина и височина. Айнщайн предполага, че материята и енергията могатда изкривяват времепространството, а гравитацията е ефект наизкривяванията.

Според принципа на равнозначността, ефектите породени от гравитациятаса равнозначни на ефектите породени от ускорението. За да разберететози принцип, представете си, че сте в космически кораб, който етолкова отдалечен от планетите и звездите, че на практика не му действаникаква гравитация. Кораба се движи напред, но не се ускорява т.е.кораба се движи с постоянна скорост. Ако извадите топка от кораба и япуснете, тя няма да се отдалечава. Вместо това, тя ще лети с кораба отстрани на него.

Но представете си, че кораба се ускорява. В този случай топката би започнала да изостава, като чели и действа гравитация.

Предсказания в следствие на основната теория на относителността

През годините изчисляването на орбитата на Меркурий с теорията наАйнщайн съвпадат с наблюденията на няколко обсерватории. Предсказано еи съществуването на черни дупки, гравитационни вълни, превиване насветлина и радио вълни и разширяването на Вселената.

Прегъване на светлинни лъчи

Теорията на Айнщайн предвижда прегъването на светлинни лъчи, когато тепреминават край масивни обекти. Прегъването ще се случи, защото тялотоизкривява времепространството. Слънцето е достатъчно масивно, за дапрегъва осезаемо лъчи и това е потвърдено за първи път по време наслънчевото затъмнение през 1919 година.

Прегъване и забавяне на радио вълни

Теорията също предвижда, че слънцето прегъва и забавя радио вълни.Учените са измерили огъванията на радио вълни, излъчени от квазари –изключително мощни обекти в центровете на някои галактики.

Изследователите измерили забавяне на радио вълните, минаваща покрайслънцето, които били изпратени от сондите Викинг (от Марс) през 1976година. Това все още е едно от най-добрите доказателства на теорията наотносителността.

Гравитационни вълни

Общата теория на относителността също предполага, че масивни тела,които са в орбита едно около друго (като слънцето и Земята) излъчватвълни енергия, познати като гравитационни вълни. През 1974 година,учените са установили индиректно съществуването на гравитационни вълни,като са наблюдавали обект, познат като двоен пулсар. Двойния пулсар ебързо въртяща се около оста си неутронна звезда, която обикаля околоподобна, но невидима звезда. Неутронната звезда е изградена отнеутрони, като тези в ядрата на атомите.

Пулсара излъчва два равномерни радио лъча в противоположни посоки. Привъртенето на пулсара около оста си, двата радио лъча също се въртятподобно на морски фар. Ако един от лъчите минава периодично презЗемята, радиотелескопите го засичат като поредици от пулсове. Чрезнаблюдение на промените в пулсовете на бинарната звезда, учените могатда установят орбиталния период на пулсара – времето, за което дветезвезди правят една обиколка една около друга.

Наблюдения на пулсара PSR 1913 16 показват че орбиталния му периоднамалява и астрономите са измерили темпото на намаляване. Ученитеизползвали уравненията от общата теория на относителността, за даизчислят с колко би се редуцирал орбиталния период на звездата, ако тяизлъчваше енергия под формата на гравитационни вълни. Изчислениятасъвпадат с наблюденията.

Освен това, пулсара напредва в орбитата си около втората звезда.Основната теория на относителността предсказва тази прецесия, каторезултатите от наблюденията и изчисленията отново съвпадат.

Черни дупки

Теорията на Айнщайн предвижда съществуването на тела, наречени чернидупки. Черна дупка е област в пространството, където гравитацията етолкова силна, че дори и светлината не може да излезе от нея.Изследователите са открили доста сериозни доказателства, че многомасивните звезди се превръщат в черни дупки и че повечето големигалактики имат черни дупки в центровете си.

Разширяване на Вселената

През 1917 година, Айнщайн прилага общата теория на относителността вкосмологията – изучаването на Вселената като цяло. Теорията предполага,че Вселената или се свива или се разширява. През 1917 г. учените ощенямали доказателства, че Вселената се разширява. За да не бъдеотхвърлено това твърдение на Айнщайн, той добавя космологична константав теорията си.

Но през 1929 година, американският астроном Едуин Хъбъл открива, чедалечните галактики се отдалечават от Земята и колкото по-далечна егалактиката, толкова по-бързо се отдалечава от Земята. Хъбъл открива,че Вселената се разширява. Тогава Айнщайн изоставя своята константа и янарича най-голямата си грешка.

Откритието на Хъбъл, както и други научни открития, довеждат досъздаването на теорията за Големия взрив и началото на Вселената.Според теорията, Вселената се родила с гореща експлозия – Големиявзрив. В началото материята била по-малко от една зрънце, но с времетосе разширила и продължава да се разширява.

Тъмна енергия

Въпреки че Айнщайн нарича космологичната си константа най-голямата сигрешка, тя може да се укаже най-голямото му откритие. Според измерванияот 1998 година, вселената се разширява все по-бързо. И още повече, ческоростта на разширяване се увеличава, както е предположено в теориятана Айнщайн - с космологична константа.

Преди това, астрономите мислели, че разстоянието между галактикитенамалява, поради гравитацията им. Измерванията показват че супер новиот далечни галактики са по-слаби от очакваното, следователноразстоянията се увеличават. Но галактиките са толкова далече, че това евъзможно само ако отдалечаването е започнало в далечното минало.

Астрономите са заключили, че това се дължи на нещо, което сепротивопоставя на гравитацията. Това нещо може да е космологичнаконстанта, наречена тъмна енергия. Учените все още не са измислилитеории, в които се включва тъмната енергия, но те знаят колко от неявероятно съществува. Количеството на тъмната енергия във Вселената епочти два пъти повече от материята.

Материята във Вселената включва нормалната материя, както и тъмнатаматерия. Учените не знаят състава на тъмната материя. Но измервания надвижението на звезди и газови облаци в галактиките карат учените давярват в нейното съществуване. Тези измервания показват, че масите нагалактиките са много по-големи от масите на всички обекти в тях взетизаедно. Тези, а и други, наблюдения предполагат, че във Вселената има30 пъти повече тъмна материя, отколкото нормална, видима материя.

Гравитацията и старостта на Вселената

Други наблюдения показват, че общата теория на относителността еприложима в цялата Вселена. Космолозите са изчислили възрастта наВселената, използвайки уравненията от теорията на Айнщайн, скоростта наразширяване на Вселената и количествата тъмна материя и тъмна енергия.Изчислената възраст от 14 милиарда години е същата, като получената приизползването на два други метода: (1) изчисления на базата наеволюцията на звездите (2) радиоактивното датиране на старите звезди.

Звездна еволюция

При еволюцията на звездите, техните температура и яркост се изменят подобре познат ни начин. Астрономите могат да изчислят възрастта нададена звезда, измервайки нейната температура и яркост й и след тованаправят изчисления на базата на техните звездни познания. Чрез тезитехники, астрономите са открили, че звездите могат да са на 13 милиардагодини, но не и по-стари.

Радиоактивното датиране се базира на факта, че някои химически елементисе разпадат. Изотопи на един елемент се превръщат в изотопи на другелемент и скоростта на реакцията ни е добре позната.

През 2001 година, учени използвали Европейската южна обсерватория вЧили, използвали метода на радиоактивното датиране, за да определятвъзрастта на много стара звезда от Млечния път. Учените изследвалиизотопа уран 238, чието ядро съдържа 92 протона и 146 неутрона. Ученитезнаели колко уран би трябвало да е имало по време на формирането назвездата и колко има в момента. Тогава те приложили знанията си заскоростта на радиоактивно полуразпадане и установили, че възрастта назвездата е 12,5 милиарда години, така че Вселената вероятно е по-стараот звездата.