Die Richtung der Kraft der universellen Gravitation in der Physik. Newtons Gravitationsgesetz

Nicht nur das geheimnisvollste von Naturgewalten, aber auch der mächtigste.

Der Mensch auf dem Weg des Fortschritts

Historisch gesehen hat sich das herausgestellt Menschlich wie es vorwärts geht Wege des Fortschritts beherrschte die immer mächtiger werdenden Kräfte der Natur. Er begann, als er nur einen Stock in der Faust und seine eigene Körperkraft hatte.

Aber er war weise und nutzte die körperliche Stärke der Tiere, um sie domestiziert zu machen. Das Pferd beschleunigte seinen Lauf, das Kamel machte die Wüste passierbar, der Elefant machte den sumpfigen Dschungel. Aber die körperliche Kraft selbst der stärksten Tiere ist im Vergleich zu den Kräften der Natur unermesslich gering.

Der Mensch unterwarf als erster das Element Feuer, allerdings nur in seiner abgeschwächtesten Form. Zunächst nutzte er viele Jahrhunderte lang nur Holz als Brennstoff – einen sehr energiearmen Brennstoff. Etwas später lernte er, diese Energiequelle zu nutzen, um die Energie des Windes zu nutzen, der Mann hob den weißen Flügel des Segels in die Luft – und das leichte Schiff flog wie ein Vogel über die Wellen.

Segelboot auf den Wellen

Er setzte die Windmühlenflügel den Windböen aus – und die schweren Steine ​​der Mühlsteine ​​begannen sich zu drehen, und die Stößel der Mühlen begannen zu klappern. Aber es ist jedem klar, dass die Energie der Luftstrahlen noch lange nicht konzentriert ist. Darüber hinaus hatten sowohl das Segel als auch die Windmühle Angst vor den Windstößen: Der Sturm riss die Segel und versenkte die Schiffe, der Sturm brach die Flügel und stürzte die Mühlen um.

Noch später begann der Mensch, fließende Gewässer zu erobern. Das Rad ist nicht nur das primitivste Gerät, das die Energie des Wassers in Rotationsbewegung umwandeln kann, sondern im Vergleich zu anderen Arten auch das leistungsschwächste.

Der Mensch schritt auf der Leiter des Fortschritts immer weiter voran und brauchte immer mehr Energie.
Er begann, neue Brennstoffarten zu nutzen – bereits der Übergang zur Kohleverbrennung erhöhte die Energieintensität eines Kilogramms Brennstoff von 2500 kcal auf 7000 kcal – fast um das Dreifache. Dann kam die Zeit für Öl und Gas. Der Energiegehalt jedes Kilogramms fossiler Brennstoffe hat sich noch einmal um das Eineinhalb- bis Zweifache erhöht.

Dampfmaschinen ersetzten Dampfturbinen; Mühlräder wurden durch hydraulische Turbinen ersetzt. Als nächstes streckte der Mann seine Hand nach dem spaltenden Uranatom aus. Die erstmalige Nutzung einer neuen Energieart hatte jedoch tragische Folgen – der Atombrand von Hiroshima im Jahr 1945 verbrannte innerhalb weniger Minuten 70.000 Menschenherzen.

Im Jahr 1954 ging das weltweit erste sowjetische Kernkraftwerk ans Netz und wandelte die Kraft des Urans in die Strahlungskraft des elektrischen Stroms um. Und es sollte beachtet werden, dass ein Kilogramm Uran zwei Millionen Mal mehr Energie enthält als ein Kilogramm bestes Öl.

Dies war ein grundlegend neues Feuer, das man als physikalisch bezeichnen könnte, da es Physiker waren, die die Prozesse untersuchten, die zur Entstehung solch sagenhafter Energiemengen führten.
Uran ist nicht der einzige Kernbrennstoff. Ein leistungsstärkerer Brennstoff wird bereits verwendet – Wasserstoffisotope.

Leider ist es dem Menschen noch nicht gelungen, die Wasserstoff-Helium-Kernflamme zu besiegen. Er weiß, wie er sein brennendes Feuer für einen Moment entzündet und die Reaktion in der Wasserstoffbombe mit einem Uranexplosionsblitz entfacht. Wissenschaftler sehen aber auch, wie ein Wasserstoffreaktor immer näher rückt, der durch die Fusion von Kernen von Wasserstoffisotopen zu Heliumkernen einen elektrischen Strom erzeugen wird.

Auch hier wird sich die Energiemenge, die ein Mensch aus jedem Kilogramm Kraftstoff gewinnen kann, fast verzehnfachen. Aber wird dieser Schritt der letzte in der kommenden Geschichte der Macht der Menschheit über die Naturgewalten sein?

Nein! Vor uns liegt die Beherrschung der Gravitationsform der Energie. Sie ist von der Natur noch umsichtiger verpackt als selbst die Energie der Wasserstoff-Helium-Fusion. Heute ist dies die konzentrierteste Energieform, die sich ein Mensch überhaupt vorstellen kann.

Außer dem neuesten Stand der Wissenschaft ist dort noch nichts weiter sichtbar. Und obwohl wir mit Sicherheit sagen können, dass Kraftwerke für den Menschen funktionieren werden, indem sie Gravitationsenergie in elektrischen Strom umwandeln (und vielleicht in einen Gasstrom, der aus der Düse eines Düsentriebwerks austritt, oder in die geplante Umwandlung der allgegenwärtigen Atome Silizium und Sauerstoff in Atome ultraseltener Metalle), Über die Details eines solchen Kraftwerks (Raketentriebwerk, physikalischer Reaktor) können wir noch nichts sagen.

Die Kraft der universellen Gravitation am Ursprung der Geburt von Galaxien

Die Kraft der universellen Gravitation ist der Ursprung der Entstehung von Galaxien aus prästellarer Materie, wie Akademiker V.A. Ambartsumyan überzeugt ist. Es löscht Sterne aus, deren Zeit ausgebrannt ist, da sie den Sternbrennstoff verbraucht haben, den sie bei ihrer Geburt erhalten haben.

Schauen Sie sich um: Alles hier auf der Erde wird weitgehend von dieser Kraft kontrolliert.

Dies bestimmt den Schichtaufbau unseres Planeten – den Wechsel von Lithosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre. Sie ist es, die eine dicke Schicht aus Luftgasen hält, auf deren Boden und dank derer wir alle existieren.

Ohne die Schwerkraft würde die Erde sofort aus ihrer Umlaufbahn um die Sonne geraten und der Globus selbst würde auseinanderfallen, zerrissen durch Zentrifugalkräfte. Es ist schwierig, etwas zu finden, das nicht in gewissem Maße von der Kraft der universellen Schwerkraft abhängt.

Natürlich konnten die antiken Philosophen, sehr aufmerksame Menschen, nicht umhin zu bemerken, dass ein nach oben geworfener Stein immer zurückkommt. Platon erklärte dies im 4. Jahrhundert v. Chr., indem er sagte, dass alle Substanzen im Universum dazu neigen, sich dort zu konzentrieren, wo die meisten ähnlichen Substanzen konzentriert sind: Ein geworfener Stein fällt zu Boden oder geht auf den Grund, verschüttetes Wasser versickert im nächsten Teich oder in ein Fluss, der zum Meer strömt, der Rauch des Feuers strömt auf seine verwandten Wolken zu.

Platons Schüler Aristoteles stellte klar, dass alle Körper besondere Eigenschaften von Schwere und Leichtigkeit haben. Schwere Körper – Steine, Metalle – stürmen ins Zentrum des Universums, leichte Körper – Feuer, Rauch, Dämpfe – an die Peripherie. Diese Hypothese, die einige mit der Kraft der universellen Schwerkraft verbundene Phänomene erklärt, existiert seit mehr als zweitausend Jahren.

Wissenschaftler über die Kraft der universellen Schwerkraft

Wahrscheinlich der erste, der die Frage aufwirft Kraft der universellen Schwerkraft Wirklich wissenschaftlich gesehen gab es ein Genie der Renaissance – Leonardo da Vinci. Leonardo verkündete, dass die Schwerkraft nicht nur auf der Erde existiert, sondern dass es viele Schwerpunkte gibt. Und er brachte auch die Idee zum Ausdruck, dass die Schwerkraft vom Abstand zum Schwerpunkt abhängt.

Die Werke von Kopernikus, Galileo, Kepler und Robert Hooke brachten die Idee des Gesetzes der universellen Gravitation immer näher, aber in seiner endgültigen Formulierung ist dieses Gesetz für immer mit dem Namen Isaac Newton verbunden.

Isaac Newton über die Kraft der universellen Gravitation

Geboren am 4. Januar 1643. Er schloss sein Studium an der Universität Cambridge ab, erlangte einen Bachelor- und dann einen Master of Science-Abschluss.

Isaac Newton

Alles, was folgt, ist eine unendliche Fülle wissenschaftlicher Arbeit. Aber sein Hauptwerk sind „Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“, das 1687 veröffentlicht wurde und meist einfach „Prinzipien“ genannt wird. In ihnen formuliert sich das Große. Wahrscheinlich erinnert sich jeder an ihn aus der High School.

Alle Körper ziehen sich gegenseitig mit einer Kraft an, die direkt proportional zum Produkt der Massen dieser Körper und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist ...

Einige Bestimmungen dieser Formulierung waren in der Lage, Newtons Vorgänger vorwegzunehmen, aber niemandem war es jemals gelungen, sie vollständig umzusetzen. Es bedurfte der Genialität Newtons, diese Fragmente zu einem einzigen Ganzen zusammenzufügen, um die Schwerkraft der Erde auf den Mond und die der Sonne auf das gesamte Planetensystem auszudehnen.

Aus dem Gesetz der universellen Gravitation leitete Newton alle zuvor von Kepler entdeckten Gesetze der Planetenbewegung ab. Es stellte sich heraus, dass es sich lediglich um die Konsequenzen handelte. Darüber hinaus zeigte Newton, dass nicht nur die Keplerschen Gesetze, sondern auch Abweichungen von diesen Gesetzen (in der Welt mit drei oder mehr Körpern) eine Folge der universellen Schwerkraft sind ... Dies war ein großer Triumph der Wissenschaft.

Es schien, dass die Hauptkraft der Natur, die die Welten bewegt, endlich entdeckt und mathematisch beschrieben worden war, eine Kraft, die Luftmoleküle, Äpfel und die Sonne kontrolliert. Der Schritt Newtons war gigantisch, unermesslich groß.

Der erste Popularisierer der Werke des brillanten Wissenschaftlers, der unter dem Pseudonym Voltaire weltberühmte französische Schriftsteller François Marie Arouet, sagte, Newton habe plötzlich die Existenz des nach ihm benannten Gesetzes erkannt, als er einen fallenden Apfel betrachtete.

Newton selbst hat diesen Apfel nie erwähnt. Und es lohnt sich kaum, heute Zeit damit zu verschwenden, diese schöne Legende zu widerlegen. Und offenbar gelangte Newton durch logisches Denken zu der großen Kraft der Natur. Wahrscheinlich war dies im entsprechenden Kapitel von „Anfänge“ enthalten.

Die Kraft der universellen Schwerkraft beeinflusst den Flug des Kerns

Nehmen wir an, dass wir auf einem sehr hohen Berg, der so hoch ist, dass sich seine Spitze nicht mehr in der Atmosphäre befindet, ein riesiges Artilleriegeschütz installiert haben. Sein Lauf wurde streng parallel zur Erdoberfläche platziert und abgefeuert. Nachdem ich den Bogen beschrieben habe, Der Kern fällt auf die Erde.

Wir erhöhen die Ladung, verbessern die Qualität des Schießpulvers und zwingen die Kanonenkugel auf die eine oder andere Weise dazu, sich nach dem nächsten Schuss mit höherer Geschwindigkeit zu bewegen. Der vom Kern beschriebene Bogen wird flacher. Der Kern fällt viel weiter vom Fuß unseres Berges ab.

Wir erhöhen auch die Ladung und schießen. Der Kern fliegt auf einer so flachen Flugbahn, dass er parallel zur Erdoberfläche absinkt. Der Kern kann nicht mehr auf die Erde fallen: Mit der gleichen Geschwindigkeit, mit der er abnimmt, entweicht die Erde darunter. Und nachdem er einen Ring um unseren Planeten beschrieben hat, kehrt der Kern zum Ausgangspunkt zurück.

Die Waffe kann in der Zwischenzeit abgenommen werden. Immerhin wird der Flug des Kerns um den Globus über eine Stunde dauern. Und dann wird der Kern schnell über den Gipfel des Berges fliegen und zu einem neuen Flug um die Erde aufbrechen. Wenn der Kern, wie vereinbart, keinen Luftwiderstand erfährt, wird er niemals fallen können.

Dafür sollte die Kerngeschwindigkeit bei etwa 8 km/s liegen. Was wäre, wenn wir die Fluggeschwindigkeit des Kerns erhöhen würden? Es fliegt zunächst in einem Bogen, der flacher als die Krümmung der Erdoberfläche ist, und beginnt, sich von der Erde zu entfernen. Gleichzeitig nimmt seine Geschwindigkeit unter dem Einfluss der Schwerkraft der Erde ab.

Und schließlich wird es beim Umdrehen auf die Erde zurückfallen, aber an ihr vorbeifliegen und keinen Kreis, sondern eine Ellipse schließen. Der Kern wird sich auf genau die gleiche Weise um die Erde bewegen, wie sich die Erde um die Sonne bewegt, nämlich entlang einer Ellipse, in deren einem Brennpunkt sich der Mittelpunkt unseres Planeten befinden wird.

Wenn Sie die Anfangsgeschwindigkeit des Kerns weiter erhöhen, wird die Ellipse stärker gestreckt. Es ist möglich, diese Ellipse so zu dehnen, dass der Kern die Mondumlaufbahn oder sogar noch viel weiter erreicht. Aber bis die Anfangsgeschwindigkeit dieses Kerns 11,2 km/s überschreitet, bleibt er ein Satellit der Erde.

Der Kern, der beim Abfeuern eine Geschwindigkeit von über 11,2 km/s erreichte, wird auf einer parabolischen Flugbahn für immer von der Erde wegfliegen. Wenn eine Ellipse eine geschlossene Kurve ist, dann ist eine Parabel eine Kurve, deren zwei Äste ins Unendliche gehen. Wenn wir uns entlang einer Ellipse bewegen, egal wie lang sie auch sein mag, kehren wir zwangsläufig systematisch zum Ausgangspunkt zurück. Wenn wir uns entlang einer Parabel bewegen, kehren wir nie zum Ausgangspunkt zurück.

Aber nachdem er die Erde mit dieser Geschwindigkeit verlassen hat, wird der Kern noch nicht in der Lage sein, in die Unendlichkeit zu fliegen. Die starke Schwerkraft der Sonne wird ihre Flugbahn verbiegen und sie wie die Flugbahn eines Planeten um sich selbst schließen. Der Kern wird zur Schwester der Erde, einem unabhängigen winzigen Planeten in unserer Planetenfamilie.

Um den Kern über das Planetensystem hinaus zu lenken und die Sonnengravitation zu überwinden, ist es notwendig, ihm eine Geschwindigkeit von über 16,7 km/s zu verleihen und ihn so auszurichten, dass zu dieser Geschwindigkeit die Geschwindigkeit der Eigenbewegung der Erde addiert wird.

Eine Geschwindigkeit von etwa 8 km/s (diese Geschwindigkeit hängt von der Höhe des Berges ab, von dem aus unsere Kanone feuert) wird Kreisgeschwindigkeit genannt, Geschwindigkeiten von 8 bis 11,2 km/s sind elliptisch, von 11,2 bis 16,7 km/s sind parabolische Geschwindigkeiten. und darüber hinaus – mit befreiender Geschwindigkeit.

An dieser Stelle sei hinzugefügt, dass die angegebenen Werte dieser Geschwindigkeiten nur für die Erde gelten. Wenn wir auf dem Mars leben würden, wäre die Kreisgeschwindigkeit für uns viel einfacher zu erreichen – sie beträgt nur etwa 3,6 km/Sek. und die Parabelgeschwindigkeit liegt nur geringfügig über 5 km/Sek.

Aber den Kern vom Jupiter ins All zu schicken, wäre viel schwieriger als von der Erde: Die Kreisgeschwindigkeit auf diesem Planeten beträgt 42,2 km/s, die parabelförmige Geschwindigkeit sogar 61,8 km/s!

Für die Bewohner der Sonne wäre es am schwierigsten, ihre Welt zu verlassen (sofern es eine solche überhaupt geben könnte). Die Kreisgeschwindigkeit dieses Riesen sollte 437,6 betragen und die Losbrechgeschwindigkeit 618,8 km/s!

So, Newton, am Ende des 17. Jahrhunderts, hundert Jahre vor dem ersten Flug des Heißluftballons der Gebrüder Montgolfier, zweihundert Jahre vor den ersten Flügen des Flugzeugs der Gebrüder Wright und fast ein Vierteljahrtausend zuvor Der Start der ersten Flüssigtreibstoffraketen zeigte Satelliten und Raumschiffen den Weg in den Himmel.

Die Kraft der universellen Schwerkraft ist jeder Sphäre innewohnend

Mit Hilfe Gesetz der universellen Gravitation unbekannte Planeten wurden entdeckt, kosmogonische Hypothesen über die Entstehung des Sonnensystems aufgestellt. Die Hauptkraft der Natur, die die Sterne, die Planeten, die Äpfel im Garten und die Gasmoleküle in der Atmosphäre kontrolliert, wurde entdeckt und mathematisch beschrieben.

Aber wir kennen den Mechanismus der universellen Gravitation nicht. Die Newtonsche Schwerkraft erklärt den modernen Zustand der Planetenbewegung nicht, sondern stellt ihn klar dar.

Wir wissen nicht, was die Wechselwirkung aller Körper im Universum verursacht. Und man kann nicht sagen, dass Newton an diesem Grund nicht interessiert war. Viele Jahre lang dachte er über den möglichen Mechanismus nach.

Dies ist übrigens tatsächlich eine äußerst mysteriöse Kraft. Eine Kraft, die sich über Hunderte von Millionen Kilometern im Weltraum manifestiert, ohne auf den ersten Blick jegliche materielle Formationen, mit deren Hilfe die Übertragung von Wechselwirkungen erklärt werden könnte.

Newtons Hypothesen

UND Newton zurückgegriffen Hypotheseüber die Existenz eines bestimmten Äthers, der angeblich das gesamte Universum erfüllt. 1675 erklärte er die Anziehungskraft der Erde damit, dass der Äther, der das gesamte Universum erfüllt, in kontinuierlichen Strömen zum Erdmittelpunkt strömt, in dieser Bewegung alle Objekte einfängt und die Schwerkraft erzeugt. Der gleiche Ätherstrom strömt auf die Sonne zu und sorgt, indem er Planeten und Kometen mit sich führt, für deren elliptische Flugbahnen...

Dies war keine sehr überzeugende Hypothese, obwohl sie mathematisch absolut logisch war. Doch dann stellte Newton 1679 eine neue Hypothese auf, die den Mechanismus der Schwerkraft erklärt. Diesmal verleiht er dem Äther die Eigenschaft, in der Nähe der Planeten und fern von ihnen unterschiedliche Konzentrationen aufzuweisen. Je weiter vom Zentrum des Planeten entfernt, desto dichter soll der Äther sein. Und es hat die Eigenschaft, alle materiellen Körper aus ihren dichteren Schichten in weniger dichte zu verdrängen. Und alle Körper werden auf die Erdoberfläche gedrückt.

Im Jahr 1706 leugnete Newton scharf die Existenz des Äthers. Im Jahr 1717 kam er erneut auf die Hypothese der Ätherextrusion zurück.

Newtons brillantes Gehirn bemühte sich, das große Rätsel zu lösen, fand es aber nicht. Dies erklärt solch scharfes Hin- und Herwerfen. Newton sagte gern:

Ich stelle keine Hypothesen auf.

Und obwohl dies, sobald wir es überprüfen konnten, nicht ganz stimmt, lässt sich etwas anderes mit Sicherheit sagen: Newton verstand es, zwischen unbestreitbaren Dingen und unsicheren und kontroversen Hypothesen klar zu unterscheiden. Und in „Prinzipien“ gibt es eine Formel für das große Gesetz, aber es gibt keine Versuche, seinen Mechanismus zu erklären.
Der große Physiker vermachte dieses Rätsel dem Mann der Zukunft. Er starb 1727.
Es wurde bis heute nicht gelöst.

Die Diskussion über das physikalische Wesen des Newtonschen Gesetzes dauerte zwei Jahrhunderte. Und vielleicht würde diese Diskussion nicht das eigentliche Wesen des Gesetzes betreffen, wenn sie genau alle Fragen beantworten würde, die an das Gesetz gestellt werden.

Tatsache ist jedoch, dass sich im Laufe der Zeit herausstellte, dass dieses Gesetz nicht universell gilt. Dass es Fälle gibt, in denen er dieses oder jenes Phänomen nicht erklären kann. Lassen Sie uns Beispiele nennen.

Die Kraft der universellen Gravitation in Seeligers Berechnungen

Das erste davon ist das Seeliger-Paradoxon. Seeliger betrachtete das Universum als unendlich und gleichmäßig mit Materie gefüllt und versuchte, anhand des Newtonschen Gesetzes die Kraft der universellen Gravitation zu berechnen, die an einem bestimmten Punkt von der gesamten unendlich großen Masse des unendlichen Universums erzeugt wird.

Aus rein mathematischer Sicht war dies keine leichte Aufgabe. Nachdem er alle Schwierigkeiten der komplexesten Transformationen überwunden hatte, stellte Seeliger fest, dass die gewünschte Kraft der universellen Gravitation proportional zum Radius des Universums ist. Und da dieser Radius gleich unendlich ist, muss die Gravitationskraft unendlich groß sein. In der Praxis beobachten wir dies jedoch nicht. Das bedeutet, dass das Gesetz der universellen Gravitation nicht für das gesamte Universum gilt.

Es sind jedoch auch andere Erklärungen für das Paradoxon möglich. Wir können beispielsweise davon ausgehen, dass Materie nicht das gesamte Universum gleichmäßig ausfüllt, sondern ihre Dichte allmählich abnimmt und schließlich irgendwo in sehr weiter Entfernung überhaupt keine Materie mehr vorhanden ist. Aber sich ein solches Bild vorzustellen bedeutet, die Möglichkeit der Existenz eines Raums ohne Materie anzuerkennen, was im Allgemeinen absurd ist.

Wir können davon ausgehen, dass die Kraft der universellen Schwerkraft schneller abnimmt, als das Quadrat der Entfernung zunimmt. Dies stellt jedoch die erstaunliche Harmonie des Newtonschen Gesetzes in Frage. Nein, und diese Erklärung befriedigte die Wissenschaftler nicht. Das Paradoxon blieb ein Paradoxon.

Beobachtungen der Bewegung des Merkur

Eine weitere Tatsache, die Wirkung der Kraft der universellen Gravitation, wurde durch das Newtonsche Gesetz nicht erklärt Beobachtungen der Bewegung des Merkur- dem Planeten am nächsten. Genaue Berechnungen unter Verwendung des Newtonschen Gesetzes zeigten, dass sich das Perhel, der Punkt der Ellipse, entlang dem sich Merkur der Sonne am nächsten bewegt, alle 100 Jahre um 531 Bogensekunden verschieben sollte.

Und Astronomen haben ermittelt, dass diese Verschiebung 573 Bogensekunden beträgt. Auch dieser Überschuss – 42 Bogensekunden – konnte von Wissenschaftlern nicht allein mit Formeln erklärt werden, die sich aus dem Newtonschen Gesetz ergeben.

Erklärte das Seeliger-Paradoxon, die Perihelverschiebung des Merkur und viele andere paradoxe Phänomene und unerklärliche Tatsachen Albert Einstein, einer der größten, wenn nicht der größte Physiker aller Zeiten. Zu den nervigen Kleinigkeiten gehörte die Frage nach ätherischer Wind.

Albert Michelsons Experimente

Es schien, dass diese Frage nicht direkt das Problem der Gravitation betraf. Er bezog sich auf Optik, auf Licht. Genauer gesagt, um seine Geschwindigkeit zu bestimmen.

Die Lichtgeschwindigkeit wurde erstmals von einem dänischen Astronomen bestimmt Olaf Römer, Beobachtung der Sonnenfinsternis der Jupiter-Satelliten. Dies geschah bereits im Jahr 1675.

Amerikanischer Physiker Albert Michelson Ende des 18. Jahrhunderts führte er mit dem von ihm konstruierten Gerät eine Reihe von Bestimmungen der Lichtgeschwindigkeit unter terrestrischen Bedingungen durch.

Im Jahr 1927 gab er für die Lichtgeschwindigkeit den Wert 299796 + 4 km/s an – für die damalige Zeit war das eine hervorragende Genauigkeit. Aber der Punkt ist ein anderer. 1880 beschloss er, den ätherischen Wind zu erforschen. Er wollte endlich die Existenz genau dieses Äthers nachweisen, dessen Vorhandensein sie sowohl die Übertragung der Gravitationswechselwirkung als auch die Übertragung von Lichtwellen zu erklären versuchten.

Michelson war wahrscheinlich der bemerkenswerteste Experimentator seiner Zeit. Er verfügte über eine hervorragende Ausrüstung. Und er war sich des Erfolgs fast sicher.

Die Essenz der Erfahrung

Erfahrung war so gedacht. Die Erde bewegt sich auf ihrer Umlaufbahn mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 km/s. Bewegt sich durch den Äther. Das bedeutet, dass die Lichtgeschwindigkeit einer Quelle, die vor dem Empfänger steht, relativ zur Erdbewegung größer sein muss als die einer Quelle, die auf der anderen Seite steht. Im ersten Fall muss die Geschwindigkeit des ätherischen Windes zur Lichtgeschwindigkeit addiert werden, im zweiten Fall muss die Lichtgeschwindigkeit um diesen Betrag abnehmen.

Natürlich beträgt die Geschwindigkeit der Erdumlaufbahn um die Sonne nur ein Zehntausendstel der Lichtgeschwindigkeit. Es ist sehr schwierig, einen so kleinen Begriff zu erkennen, aber nicht umsonst wurde Michelson als König der Genauigkeit bezeichnet. Er nutzte eine clevere Methode, um den „feinen“ Unterschied in der Geschwindigkeit der Lichtstrahlen zu erfassen.

Er teilte den Strahl in zwei gleiche Ströme und richtete sie in zueinander senkrechte Richtungen: entlang des Meridians und entlang der Parallele. Nachdem sie von den Spiegeln reflektiert worden waren, kehrten die Strahlen zurück. Wenn ein parallel verlaufender Strahl durch den ätherischen Wind beeinflusst würde, würden beim Hinzufügen zu einem meridionalen Strahl Interferenzstreifen auftreten und die Wellen der beiden Strahlen wären phasenverschoben.

Allerdings war es für Michelson schwierig, die Wege beider Strahlen so genau zu messen, dass sie absolut identisch waren. Also baute er das Gerät so, dass es keine Interferenzstreifen gab, und drehte es dann um 90 Grad.

Der Meridionalstrahl wurde zum Breitenstrahl und umgekehrt. Bei ätherischem Wind sollten unter dem Okular schwarze und helle Streifen erscheinen! Aber sie waren nicht da. Vielleicht bewegte der Wissenschaftler den Apparat, als er ihn drehte.

Er baute es mittags auf und sicherte es. Denn neben der Tatsache, dass es sich auch noch um eine Achse dreht. Und deshalb nimmt der Breitengradstrahl zu verschiedenen Tageszeiten eine andere Position relativ zum entgegenkommenden ätherischen Wind ein. Wenn das Gerät nun völlig bewegungslos ist, kann man sich von der Richtigkeit des Experiments überzeugen.

Es gab wieder keine Interferenzstreifen. Das Experiment wurde viele Male durchgeführt und Michelson und mit ihm alle Physiker dieser Zeit waren erstaunt. Es wurde kein ätherischer Wind festgestellt! Das Licht bewegte sich mit der gleichen Geschwindigkeit in alle Richtungen!

Niemand konnte dies erklären. Michelson wiederholte das Experiment immer wieder, verbesserte die Ausrüstung und erreichte schließlich eine nahezu unglaubliche Messgenauigkeit, die um eine Größenordnung höher war als das, was für den Erfolg des Experiments erforderlich war. Und wieder nichts!

Albert Einsteins Experimente

Der nächste große Schritt Kenntnis der Kraft der universellen Schwerkraft tat Albert Einstein.
Albert Einstein wurde einmal gefragt:

Wie sind Sie zu Ihrer speziellen Relativitätstheorie gekommen? Unter welchen Umständen kam Ihnen die geniale Idee? Der Wissenschaftler antwortete: „Das habe ich mir immer vorgestellt.“

Vielleicht wollte er nicht offen sein, vielleicht wollte er seinen nervigen Gesprächspartner loswerden. Aber es ist schwer vorstellbar, dass das von Einstein entdeckte Konzept der Zusammenhänge zwischen Zeit, Raum und Geschwindigkeit angeboren war.

Nein, natürlich, zuerst blitzte blitzhell eine Vermutung auf. Dann begann seine Entwicklung. Nein, es gibt keine Widersprüche zu bekannten Phänomenen. Und dann erschienen diese fünf Seiten voller Formeln, die in einer Physikzeitschrift veröffentlicht wurden. Seiten, die eine neue Ära in der Physik eröffneten.

Stellen Sie sich ein Raumschiff vor, das im Weltraum fliegt. Lassen Sie uns Sie gleich warnen: Das Raumschiff ist etwas ganz Besonderes, von der Art, von der Sie noch nie in Science-Fiction-Geschichten gelesen haben. Seine Länge beträgt 300.000 Kilometer und seine Geschwindigkeit beträgt, sagen wir, 240.000 km/s. Und dieses Raumschiff fliegt an einer der Zwischenplattformen im Weltraum vorbei, ohne dort anzuhalten. Mit voller Geschwindigkeit.

Einer seiner Passagiere steht mit einer Wache auf dem Deck des Raumschiffs. Und Sie und ich, lieber Leser, stehen auf einer Plattform – ihre Länge muss der Größe des Raumschiffs entsprechen, also 300.000 Kilometer, sonst kann es nicht darauf landen. Und wir haben auch eine Uhr in unseren Händen.

Wir bemerken: In diesem Moment, als die Nase des Raumschiffs die Hinterkante unserer Plattform erreichte, blitzte eine Laterne darauf auf und erleuchtete den Raum um sie herum. Eine Sekunde später erreichte der Lichtstrahl die Vorderkante unserer Plattform. Daran haben wir keinen Zweifel, denn wir kennen die Lichtgeschwindigkeit und konnten den entsprechenden Zeitpunkt auf der Uhr genau bestimmen. Und auf dem Raumschiff...

Aber auch ein Raumschiff flog auf den Lichtstrahl zu. Und wir sahen definitiv, dass das Licht sein Heck in dem Moment beleuchtete, als es sich etwa in der Mitte der Plattform befand. Wir haben definitiv gesehen, dass der Lichtstrahl keine 300.000 Kilometer vom Bug bis zum Heck des Schiffes zurückgelegt hat.

Aber die Passagiere auf dem Deck des Raumschiffs sind sich einer anderen Sache sicher. Sie sind zuversichtlich, dass ihr Strahl die gesamte Distanz von Bug bis Heck von 300.000 Kilometern zurückgelegt hat. Immerhin hat er eine ganze Sekunde damit verbracht. Sie haben dies auch auf ihrer Uhr absolut genau erkannt. Und wie könnte es anders sein: Schließlich hängt die Lichtgeschwindigkeit nicht von der Geschwindigkeit der Quelle ab ...

Wie so? Von einer stationären Plattform aus sehen wir das eine, aber auf dem Deck eines Raumschiffs sehen sie etwas anderes? Was ist los?

Einsteins Relativitätstheorie

Es sollte gleich angemerkt werden: Einsteins Relativitätstheorie Auf den ersten Blick widerspricht es absolut unserem etablierten Verständnis der Struktur der Welt. Wir können sagen, dass es auch dem gesunden Menschenverstand widerspricht, wie wir ihn darzustellen gewohnt sind. Dies ist in der Geschichte der Wissenschaft mehr als einmal geschehen.

Aber auch die Entdeckung der Kugelform der Erde widersprach dem gesunden Menschenverstand. Wie können Menschen auf der anderen Seite leben und nicht in den Abgrund fallen?

Für uns ist die Sphärizität der Erde eine unbestrittene Tatsache, und aus der Sicht des gesunden Menschenverstandes ist jede andere Annahme bedeutungslos und wild. Aber blicken Sie zurück in Ihre Zeit und stellen Sie sich das erste Auftauchen dieser Idee vor, und es wird klar, wie schwierig es wäre, sie zu akzeptieren.

Wäre es einfacher zuzugeben, dass die Erde nicht bewegungslos ist, sondern auf ihrer Flugbahn zehnmal schneller fliegt als eine Kanonenkugel?

Das waren alles Versäumnisse des gesunden Menschenverstandes. Deshalb beziehen sich moderne Physiker nie darauf.

Kehren wir nun zur speziellen Relativitätstheorie zurück. Die Welt erfuhr erstmals 1905 davon durch einen Artikel, der von einem wenig bekannten Namen unterzeichnet war – Albert Einstein. Und er war damals erst 26 Jahre alt.

Einstein hat aus diesem Paradoxon eine sehr einfache und logische Annahme gezogen: Aus der Sicht eines Beobachters auf dem Bahnsteig ist in einer fahrenden Kutsche weniger Zeit vergangen, als Ihre Armbanduhr gemessen hat. Im Waggon verging die Zeit langsamer als auf der stationären Plattform.

Aus dieser Annahme ergaben sich logischerweise absolut erstaunliche Dinge. Es stellte sich heraus, dass eine Person, die mit der Straßenbahn zur Arbeit geht, im Vergleich zu einem Fußgänger, der denselben Weg geht, aufgrund der Geschwindigkeit nicht nur Zeit spart, sondern auch langsamer fährt.

Versuchen Sie jedoch nicht, auf diese Weise die ewige Jugend zu bewahren: Selbst wenn Sie Kutscher werden und ein Drittel Ihres Lebens in der Straßenbahn verbringen, gewinnen Sie in 30 Jahren kaum mehr als eine Millionstelsekunde. Damit sich der Zeitgewinn bemerkbar macht, muss man sich mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Es stellt sich heraus, dass sich eine Zunahme der Geschwindigkeit von Körpern in ihrer Masse widerspiegelt. Je näher die Geschwindigkeit eines Körpers an der Lichtgeschwindigkeit liegt, desto größer ist seine Masse. Wenn die Geschwindigkeit eines Körpers gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, ist seine Masse gleich unendlich, d. h. sie ist größer als die Masse der Erde, der Sonne, der Galaxie, unseres gesamten Universums... Das ist die Masse, die das kann Konzentrieren Sie sich auf ein einfaches Kopfsteinpflaster und beschleunigen Sie es auf Geschwindigkeit
Sweta!

Dies stellt eine Einschränkung dar, die es keinem materiellen Körper erlaubt, eine Geschwindigkeit zu entwickeln, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Denn mit zunehmender Masse wird es immer schwieriger, sie zu beschleunigen. Und eine unendliche Masse kann durch keine Kraft von ihrem Platz bewegt werden.

Allerdings hat die Natur für eine ganze Klasse von Teilchen eine sehr wichtige Ausnahme von diesem Gesetz gemacht. Zum Beispiel für Photonen. Sie können sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Genauer gesagt können sie sich nicht mit einer anderen Geschwindigkeit bewegen. Es ist undenkbar, sich ein bewegungsloses Photon vorzustellen.

Im stationären Zustand hat es keine Masse. Auch Neutrinos haben keine Ruhemasse und sind zudem dazu verdammt, ewig unkontrolliert mit der in unserem Universum maximal möglichen Geschwindigkeit durch den Weltraum zu fliegen, ohne das Licht zu überholen oder hinter es zurückzufallen.

Stimmt es nicht, dass jede der von uns aufgeführten Konsequenzen der speziellen Relativitätstheorie überraschend und paradox ist? Und jedes widerspricht natürlich dem „gesunden Menschenverstand“!

Aber hier ist das Interessante: Nicht in ihrer konkreten Form, sondern als breite philosophische Position wurden all diese erstaunlichen Konsequenzen von den Begründern des dialektischen Materialismus vorhergesagt. Was sagen diese Ergebnisse? Über die Zusammenhänge, die Energie und Masse, Masse und Geschwindigkeit, Geschwindigkeit und Zeit, Geschwindigkeit und Länge eines sich bewegenden Objekts miteinander verbinden ...

Einsteins Entdeckung der gegenseitigen Abhängigkeit, wie Zement (mehr Details:), die Bewehrung oder Grundsteine ​​miteinander verbindet, brachte Dinge und Phänomene zusammen, die zuvor unabhängig voneinander erschienen, und schuf zum ersten Mal in der Geschichte der Wissenschaft die Grundlage dafür , schien es möglich, ein harmonisches Gebäude zu errichten. Dieses Gebäude ist eine Vorstellung davon, wie unser Universum funktioniert.

Doch zunächst noch ein paar Worte zur Allgemeinen Relativitätstheorie, ebenfalls von Albert Einstein.

Albert Einstein

Dieser Name – Allgemeine Relativitätstheorie – entspricht nicht ganz dem Inhalt der Theorie, die diskutiert werden soll. Es stellt die gegenseitige Abhängigkeit zwischen Raum und Materie her. Anscheinend wäre es richtiger, es zu nennen Raum-Zeit-Theorie, oder Theorie der Schwerkraft.

Aber dieser Name ist so stark mit Einsteins Theorie verflochten, dass es vielen Wissenschaftlern mittlerweile unanständig erscheint, die Frage nach seiner Ersetzung aufzuwerfen.

Die allgemeine Relativitätstheorie begründete die gegenseitige Abhängigkeit zwischen Materie und der Zeit und dem Raum, in denen sie enthalten ist. Es stellte sich heraus, dass man sich Raum und Zeit nicht nur nicht getrennt von der Materie vorstellen kann, sondern dass ihre Eigenschaften auch von der sie füllenden Materie abhängen.

Ausgangspunkt für die Argumentation

Daher können wir nur darauf hinweisen Startpunkt und einige wichtige Schlussfolgerungen liefern.

Zu Beginn der Raumfahrt zerstörte eine unerwartete Katastrophe die Bibliothek, die Filmsammlung und andere Bestände des Geistes und der Erinnerung von Menschen, die durch den Weltraum flogen. Und die Natur des Heimatplaneten geriet im Wandel der Jahrhunderte in Vergessenheit. Sogar das Gesetz der universellen Gravitation gerät in Vergessenheit, denn die Rakete fliegt im intergalaktischen Raum, wo sie fast nicht zu spüren ist.

Allerdings funktionieren die Schiffsmotoren hervorragend und der Energievorrat in den Batterien ist praktisch unbegrenzt. Meistens bewegt sich das Schiff durch Trägheit und seine Bewohner sind an die Schwerelosigkeit gewöhnt. Aber manchmal schalten sie die Motoren ein und verlangsamen oder beschleunigen die Bewegung des Schiffes. Wenn die Strahldüsen mit einer farblosen Flamme ins Leere lodern und sich das Schiff beschleunigt bewegt, spüren die Bewohner, dass ihre Körper an Gewicht gewinnen, sie sind gezwungen, um das Schiff herumzulaufen und nicht durch die Korridore zu fliegen.

Und nun steht der Flug kurz vor dem Abschluss. Das Schiff fliegt zu einem der Sterne und landet in der Umlaufbahn des am besten geeigneten Planeten. Die Raumschiffe gehen nach draußen, laufen über den mit frischem Grün bedeckten Boden und spüren ständig das gleiche Gefühl der Schwere, das man aus der Zeit kennt, als sich das Schiff mit beschleunigter Geschwindigkeit bewegte.

Aber der Planet bewegt sich gleichmäßig. Es kann nicht mit einer konstanten Beschleunigung von 9,8 m/sec2 auf sie zufliegen! Und sie gehen zunächst davon aus, dass das Gravitationsfeld (Gravitationskraft) und die Beschleunigung den gleichen Effekt haben und möglicherweise eine gemeinsame Natur haben.

Keiner unserer irdischen Zeitgenossen war auf einem so langen Flug, aber viele spürten das Phänomen der „Schwere“ und „Erleichterung“ ihres Körpers. Selbst ein gewöhnlicher Aufzug erzeugt dieses Gefühl, wenn er sich schneller bewegt. Beim Abstieg verspüren Sie einen plötzlichen Gewichtsverlust, beim Aufstieg dagegen drückt der Boden stärker als sonst auf Ihre Beine.

Aber ein Gefühl beweist nichts. Schließlich versuchen Empfindungen uns davon zu überzeugen, dass sich die Sonne am Himmel um die bewegungslose Erde bewegt, dass sich alle Sterne und Planeten in der gleichen Entfernung von uns, am Firmament usw. befinden.

Wissenschaftler haben die Empfindungen experimentellen Tests unterzogen. Newton dachte auch über die seltsame Identität der beiden Phänomene nach. Er versuchte, ihnen numerische Eigenschaften zu geben. Nachdem er die Gravitation und gemessen hatte, war er überzeugt, dass ihre Werte immer genau gleich waren.

Er fertigte die Pendel der Pilotanlage aus allen möglichen Materialien: Silber, Blei, Glas, Salz, Holz, Wasser, Gold, Sand, Weizen. Das Ergebnis war das gleiche.

Äquivalenzprinzip, von dem wir sprechen, liegt der Allgemeinen Relativitätstheorie zugrunde, obwohl die moderne Interpretation der Theorie dieses Prinzip nicht mehr benötigt. Überspringen wir die mathematischen Schlussfolgerungen, die sich aus diesem Prinzip ergeben, und gehen wir direkt zu einigen Konsequenzen der allgemeinen Relativitätstheorie über.

Das Vorhandensein großer Materiemassen hat große Auswirkungen auf den umgebenden Raum. Es führt zu solchen Veränderungen darin, die als Heterogenität des Raumes definiert werden können. Diese Inhomogenitäten steuern die Bewegung aller Massen, die sich in der Nähe des anziehenden Körpers befinden.

Normalerweise greifen sie auf diese Analogie zurück. Stellen Sie sich eine Leinwand vor, die parallel zur Erdoberfläche eng auf einen Rahmen gespannt ist. Legen Sie ein schweres Gewicht darauf. Dies wird unsere große Anziehungsmasse sein. Es wird natürlich die Leinwand verbiegen und zu einer Art Vertiefung führen. Rollen Sie nun den Ball entlang dieser Leinwand, sodass ein Teil seiner Bahn neben der anziehenden Masse liegt. Abhängig davon, wie der Ball geworfen wird, gibt es drei mögliche Optionen.

1. Der Ball fliegt weit genug von der Vertiefung weg, die durch die Durchbiegung der Leinwand entsteht, und verändert seine Bewegung nicht.
2. Der Ball berührt die Vertiefung und seine Bewegungslinien biegen sich in Richtung der anziehenden Masse.
3. Der Ball wird in dieses Loch fallen, nicht mehr herauskommen und ein oder zwei Umdrehungen um die gravitierende Masse machen.

Stimmt es nicht, dass die dritte Option sehr schön das Einfangen eines Fremdkörpers durch einen Stern oder Planeten darstellt, der achtlos in sein Anziehungsfeld fliegt?

Und der zweite Fall ist die Biegung der Flugbahn eines Körpers, der mit einer Geschwindigkeit fliegt, die größer ist als die mögliche Fanggeschwindigkeit! Der erste Fall ähnelt einem Flug außerhalb der praktischen Reichweite des Gravitationsfeldes. Ja, gerade praktisch, denn theoretisch ist das Gravitationsfeld grenzenlos.

Das ist natürlich eine sehr weit entfernte Analogie, vor allem weil sich niemand die Ablenkung unseres dreidimensionalen Raums wirklich vorstellen kann. Niemand weiß, was die physikalische Bedeutung dieser Ablenkung oder Krümmung, wie man oft sagt, ist.

Aus der Allgemeinen Relativitätstheorie folgt, dass sich jeder materielle Körper in einem Gravitationsfeld nur entlang gekrümmter Linien bewegen kann. Nur in ganz besonderen Fällen geht die Kurve in eine Gerade über.

Auch ein Lichtstrahl gehorcht dieser Regel. Schließlich besteht es aus Photonen, die im Flug eine bestimmte Masse haben. Und das Gravitationsfeld übt auf ihn seinen Einfluss aus, genau wie auf ein Molekül, einen Asteroiden oder einen Planeten.

Eine weitere wichtige Schlussfolgerung ist, dass das Gravitationsfeld auch den Zeitablauf verändert. In der Nähe einer großen anziehenden Masse sollte die Zeit in dem starken Gravitationsfeld, das sie erzeugt, langsamer vergehen als in der Ferne.

Sie sehen, die allgemeine Relativitätstheorie ist voller paradoxer Schlussfolgerungen, die unsere Vorstellungen vom „gesunden Menschenverstand“ erneut auf den Kopf stellen können!

Gravitationskollaps

Sprechen wir über ein erstaunliches Phänomen kosmischen Charakters – den Gravitationskollaps (katastrophale Kompression). Dieses Phänomen tritt in gigantischen Materieansammlungen auf, in denen die Gravitationskräfte so enorme Ausmaße erreichen, dass keine anderen in der Natur existierenden Kräfte ihnen widerstehen können.

Erinnern Sie sich an Newtons berühmte Formel: Je kleiner das Quadrat des Abstands zwischen gravitierenden Körpern ist, desto größer ist die Gravitationskraft. Je dichter also eine materielle Formation wird, je kleiner ihre Größe ist, je schneller die Schwerkraft zunimmt, desto unvermeidlicher ist ihre zerstörerische Umarmung.

Es gibt eine raffinierte Technik, mit der die Natur der scheinbar grenzenlosen Verdichtung der Materie entgegenwirkt. Zu diesem Zweck stoppt es den Zeitablauf im Wirkungsbereich überriesiger Gravitationskräfte, und die gebundenen Materiemassen scheinen von unserem Universum abgekoppelt zu sein und in einem seltsamen lethargischen Schlaf erstarrt zu sein.

Das erste dieser „Schwarzen Löcher“ im Weltraum wurde vermutlich bereits entdeckt. Nach der Annahme der sowjetischen Wissenschaftler O. Kh. Guseinov und A. Sh. Novruzova handelt es sich um Delta Gemini – einen Doppelstern mit einer unsichtbaren Komponente.

Die sichtbare Komponente hat eine Masse von 1,8 Sonnen, und ihr unsichtbarer „Begleiter“ dürfte den Berechnungen zufolge viermal so massereich sein wie die sichtbare. Aber es gibt keine Spuren davon: Es ist unmöglich, die erstaunlichste Schöpfung der Natur, das „Schwarze Loch“, zu sehen.

Der sowjetische Wissenschaftler Professor K.P. Stanyukovich hat, wie man sagt, „mit der Spitze seiner Feder“ durch rein theoretische Konstruktionen gezeigt, dass Partikel „gefrorener Materie“ sehr unterschiedlich groß sein können.

• Seine riesigen Formationen sind möglich, ähnlich wie Quasare, die kontinuierlich so viel Energie abgeben, wie alle 100 Milliarden Sterne unserer Galaxie abgeben.
• Es sind viel kleinere Klumpen möglich, die nur wenige Sonnenmassen groß sind. Beide Objekte können selbst aus gewöhnlicher, nicht schlafender Materie entstehen.
• Und es sind Formationen einer ganz anderen Klasse möglich, deren Masse mit Elementarteilchen vergleichbar ist.

Damit sie entstehen, muss die Materie, aus der sie bestehen, zunächst einem gigantischen Druck ausgesetzt und in die Grenzen der Schwarzschild-Sphäre getrieben werden – einer Sphäre, in der die Zeit für einen externen Beobachter völlig stehen bleibt. Und selbst wenn danach der Druck wegfällt, werden die Teilchen, für die die Zeit stehen geblieben ist, unabhängig von unserem Universum weiter existieren.

Planken

Plankeonen sind eine ganz besondere Teilchenklasse. Sie haben laut K. P. Stanyukovich eine äußerst interessante Eigenschaft: Sie transportieren Materie in unveränderter Form, so wie sie vor Millionen und Abermilliarden von Jahren war. Wenn wir in das Plankeon blicken, könnten wir die Materie so sehen, wie sie zum Zeitpunkt der Geburt unseres Universums war. Nach theoretischen Berechnungen gibt es im Universum etwa 10 80 Plankeonen, etwa ein Plankeon in einem Raumwürfel mit einer Seitenlänge von 10 Zentimetern. Übrigens wurde gleichzeitig mit Stanyukovich und (unabhängig von ihm) die Hypothese über Plankeonen vom Akademiemitglied M.A. Markov aufgestellt. Nur Markov gab ihnen einen anderen Namen – Maximons.

Man kann versuchen, die teilweise paradoxen Transformationen von Elementarteilchen mit den besonderen Eigenschaften von Plankeonen zu erklären. Es ist bekannt, dass beim Zusammenstoß zweier Teilchen nie Bruchstücke entstehen, sondern andere Elementarteilchen entstehen. Das ist wirklich erstaunlich: In der gewöhnlichen Welt werden wir beim Zerbrechen einer Vase nie ganze Tassen oder gar Rosetten bekommen. Nehmen wir jedoch an, dass in den Tiefen jedes Elementarteilchens ein Plankeon, ein oder mehrere und manchmal viele Plankeons verborgen sind.

Im Moment der Kollision von Partikeln öffnet sich der fest umschlossene „Beutel“ des Plankeons leicht, einige Partikel „fallen“ hinein und im Gegenzug „springen“ diejenigen heraus, von denen wir annehmen, dass sie während der Kollision entstanden sind. Gleichzeitig wird Plankeon wie ein umsichtiger Buchhalter alle in der Welt der Elementarteilchen anerkannten „Erhaltungsgesetze“ sicherstellen.
Was hat der Mechanismus der universellen Gravitation damit zu tun?

„Verantwortlich“ für die Schwerkraft sind nach der Hypothese von K. P. Stanyukovich winzige Teilchen, die sogenannten Gravitonen, die kontinuierlich von Elementarteilchen emittiert werden. Gravitonen sind so viel kleiner als letztere, wie ein im Sonnenstrahl tanzendes Staubkorn kleiner als der Globus ist.

Die Emission von Gravitonen unterliegt einer Reihe von Gesetzen. Insbesondere fliegen sie leichter in diesen Bereich des Weltraums. Welches weniger Gravitonen enthält. Das heißt, wenn es zwei Himmelskörper im Weltraum gibt, strahlen beide ihre Gravitonen überwiegend „nach außen“ aus, also in einander entgegengesetzte Richtungen. Dadurch entsteht ein Impuls, der dazu führt, dass sich die Körper annähern und sich gegenseitig anziehen.

Das 16. bis 17. Jahrhundert wird von vielen zu Recht als eine der glorreichsten Perioden der Welt bezeichnet. Zu dieser Zeit wurden weitgehend die Grundlagen gelegt, ohne die die weitere Entwicklung dieser Wissenschaft schlicht undenkbar gewesen wäre. Kopernikus, Galileo und Kepler haben großartige Arbeit geleistet, um die Physik als eine Wissenschaft zu etablieren, die fast jede Frage beantworten kann. In einer ganzen Reihe von Entdeckungen sticht das Gesetz der universellen Gravitation hervor, dessen endgültige Formulierung dem herausragenden englischen Wissenschaftler Isaac Newton gehört.

Die Hauptbedeutung der Arbeit dieses Wissenschaftlers lag nicht in seiner Entdeckung der Kraft der universellen Gravitation – sowohl Galileo als auch Kepler sprachen bereits vor Newton über das Vorhandensein dieser Größe, sondern in der Tatsache, dass er als erster bewies, dass dieselben Kräfte wirken Sowohl auf der Erde als auch im Weltraum herrschen die gleichen Wechselwirkungskräfte zwischen Körpern.

Newton bestätigte in der Praxis und begründete theoretisch die Tatsache, dass absolut alle Körper im Universum, einschließlich der auf der Erde befindlichen, miteinander interagieren. Diese Wechselwirkung wird Gravitation genannt, während der Prozess der universellen Gravitation selbst Gravitation genannt wird.
Diese Wechselwirkung findet zwischen Körpern statt, weil es eine besondere, unterschiedliche Art von Materie gibt, die in der Wissenschaft als Gravitationsfeld bezeichnet wird. Dieses Feld existiert und wirkt um absolut jedes Objekt herum, und es gibt keinen Schutz davor, da es die einzigartige Fähigkeit besitzt, jedes Material zu durchdringen.

Die Kraft der universellen Gravitation, deren Definition und Formulierung gegeben wurde, hängt direkt vom Produkt der Massen der wechselwirkenden Körper und umgekehrt vom Quadrat des Abstands zwischen diesen Objekten ab. Nach Newtons Meinung, die durch praktische Forschung unwiderlegbar bestätigt wurde, ergibt sich die Kraft der universellen Schwerkraft nach folgender Formel:

Von besonderer Bedeutung ist dabei die Gravitationskonstante G, die ungefähr 6,67*10-11(N*m2)/kg2 beträgt.

Die Kraft der universellen Schwerkraft, mit der Körper von der Erde angezogen werden, ist ein Sonderfall des Newtonschen Gesetzes und wird Schwerkraft genannt. In diesem Fall können die Gravitationskonstante und die Masse der Erde selbst vernachlässigt werden, sodass die Formel zur Ermittlung der Schwerkraft wie folgt aussieht:

Dabei ist g nichts anderes als eine Beschleunigung, deren Zahlenwert etwa 9,8 m/s2 beträgt.

Das Newtonsche Gesetz erklärt nicht nur die Prozesse, die direkt auf der Erde ablaufen, es beantwortet auch viele Fragen im Zusammenhang mit der Struktur des gesamten Sonnensystems. Insbesondere die Kraft der universellen Gravitation hat einen entscheidenden Einfluss auf die Bewegung der Planeten auf ihren Umlaufbahnen. Eine theoretische Beschreibung dieser Bewegung wurde von Kepler gegeben, ihre Begründung wurde jedoch erst möglich, nachdem Newton sein berühmtes Gesetz formuliert hatte.

Newton selbst verband die Phänomene der terrestrischen und außerirdischen Schwerkraft anhand eines einfachen Beispiels: Beim Abfeuern fliegt es nicht geradeaus, sondern entlang einer bogenförmigen Flugbahn. Darüber hinaus wird dieser mit zunehmender Schießpulverladung und Masse des Kerns immer weiter fliegen. Wenn wir schließlich davon ausgehen, dass es möglich ist, so viel Schießpulver zu beschaffen und eine solche Kanone so zu konstruieren, dass die Kanonenkugel um den Globus fliegt, dann wird sie nach dieser Bewegung nicht anhalten, sondern ihre kreisförmige (ellipsoide) Bewegung fortsetzen. Dadurch wird die Kraft der universellen Schwerkraft in der Natur sowohl auf der Erde als auch im Weltraum gleich.

Als er zu einem großartigen Ergebnis kam: Dieselbe Ursache verursacht Phänomene einer erstaunlich großen Bandbreite – vom Fall eines geworfenen Steins auf die Erde bis zur Bewegung riesiger kosmischer Körper. Newton fand diesen Grund und konnte ihn in Form einer Formel genau ausdrücken – dem Gesetz der universellen Gravitation.

Da die Kraft der universellen Gravitation allen Körpern unabhängig von ihrer Masse die gleiche Beschleunigung verleiht, muss sie proportional zur Masse des Körpers sein, auf den sie einwirkt:

Da aber beispielsweise die Erde mit einer Kraft proportional zur Masse des Mondes auf den Mond einwirkt, muss der Mond nach dem dritten Newtonschen Gesetz mit der gleichen Kraft auf die Erde einwirken. Darüber hinaus muss diese Kraft proportional zur Masse der Erde sein. Wenn die Schwerkraft wirklich universell ist, muss von der Seite eines bestimmten Körpers auf jeden anderen Körper eine Kraft wirken, die proportional zur Masse dieses anderen Körpers ist. Folglich muss die Kraft der universellen Schwerkraft proportional zum Produkt der Massen der interagierenden Körper sein. Dies führt zur Formulierung Gesetz der universellen Gravitation.

Definition des Gesetzes der universellen Gravitation

Die gegenseitige Anziehungskraft zwischen zwei Körpern ist direkt proportional zum Produkt der Massen dieser Körper und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen:

Proportionalitätsfaktor G angerufen Gravitationskonstante.

Die Gravitationskonstante ist numerisch gleich der Anziehungskraft zwischen zwei materiellen Punkten mit einem Gewicht von jeweils 1 kg, wenn der Abstand zwischen ihnen immerhin 1 m beträgt m 1 = m 2=1 kg und R=1 m bekommen wir G=F(numerisch).

Es muss berücksichtigt werden, dass das Gesetz der universellen Gravitation (4.5) als universelles Gesetz für materielle Punkte gilt. In diesem Fall sind die Kräfte der Gravitationswechselwirkung entlang der Verbindungslinie dieser Punkte gerichtet ( Abb.4.2). Diese Art von Kraft wird als zentral bezeichnet.

Es kann gezeigt werden, dass homogene Körper in Form einer Kugel (auch wenn sie nicht als materielle Punkte betrachtet werden können) auch mit der durch Formel (4.5) bestimmten Kraft interagieren. In diesem Fall R- der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Kugeln. Die Kräfte der gegenseitigen Anziehung liegen auf einer Geraden, die durch die Mittelpunkte der Kugeln verläuft. (Solche Kräfte werden als Zentralkräfte bezeichnet.) Die Körper, die wir normalerweise als auf die Erde fallend betrachten, haben Abmessungen, die viel kleiner sind als der Erdradius ( R≈6400 km). Solche Körper können unabhängig von ihrer Form als materielle Punkte betrachtet werden und unter Berücksichtigung dessen die Kraft ihrer Anziehungskraft auf die Erde anhand des Gesetzes (4.5) bestimmen R ist der Abstand von einem bestimmten Körper zum Mittelpunkt der Erde.

Bestimmung der Gravitationskonstante

Lassen Sie uns nun herausfinden, wie man die Gravitationskonstante ermittelt. Das stellen wir zunächst einmal fest G hat einen bestimmten Namen. Dies liegt daran, dass die Einheiten (und dementsprechend die Namen) aller im Gesetz der universellen Gravitation enthaltenen Größen bereits früher festgelegt wurden. Das Gravitationsgesetz stellt einen neuen Zusammenhang zwischen bekannten Größen und bestimmten Einheitennamen her. Deshalb stellt sich heraus, dass der Koeffizient eine benannte Größe ist. Mit der Formel des Gesetzes der universellen Gravitation lässt sich leicht der Name der SI-Einheit der Gravitationskonstante ermitteln:

N m 2 / kg 2 = m 3 / (kg s 2).

Zur Quantifizierung G Es ist notwendig, alle im Gesetz der universellen Gravitation enthaltenen Größen unabhängig zu bestimmen: sowohl Massen, Kraft als auch Abstand zwischen Körpern. Es ist unmöglich, hierfür astronomische Beobachtungen heranzuziehen, da die Massen der Planeten, der Sonne und der Erde nur auf der Grundlage des Gesetzes der universellen Gravitation selbst bestimmt werden können, wenn der Wert der Gravitationskonstante bekannt ist. Das Experiment muss auf der Erde mit Körpern durchgeführt werden, deren Massen auf einer Skala gemessen werden können.

Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Gravitationskräfte zwischen Körpern geringer Masse äußerst gering sind. Aus diesem Grund bemerken wir die Anziehungskraft unseres Körpers auf umgebende Objekte und die gegenseitige Anziehung von Objekten zueinander nicht, obwohl die Gravitationskräfte die universellste aller Kräfte in der Natur sind. Zwei Menschen mit einer Masse von 60 kg werden in einem Abstand von 1 m voneinander mit einer Kraft von nur etwa 10 -9 N angezogen. Um die Gravitationskonstante zu messen, sind daher recht subtile Experimente erforderlich.

Die Gravitationskonstante wurde erstmals 1798 vom englischen Physiker G. Cavendish mit einem Instrument namens Torsionswaage gemessen. Das Diagramm der Torsionswaage ist in Abbildung 4.3 dargestellt. An einem dünnen elastischen Faden ist eine leichte Wippe mit zwei identischen Gewichten an den Enden aufgehängt. Zwei schwere Kugeln stehen bewegungslos daneben. Zwischen den Gewichten und den ruhenden Kugeln wirken Gravitationskräfte. Unter dem Einfluss dieser Kräfte dreht sich die Wippe und verdreht den Faden. Anhand des Verdrehungswinkels lässt sich die Anziehungskraft bestimmen. Dazu müssen Sie lediglich die elastischen Eigenschaften des Fadens kennen. Die Massen der Körper sind bekannt und der Abstand zwischen den Mittelpunkten interagierender Körper kann direkt gemessen werden.

Aus diesen Experimenten wurde der folgende Wert für die Gravitationskonstante erhalten:

Nur wenn Körper mit enormer Masse interagieren (oder zumindest die Masse eines der Körper sehr groß ist), erreicht die Gravitationskraft einen großen Wert. Beispielsweise werden Erde und Mond durch eine Kraft voneinander angezogen F≈2 10 20 H.

Abhängigkeit der Beschleunigung frei fallender Körper von der geografischen Breite

Einer der Gründe für die Zunahme der Erdbeschleunigung, wenn sich der Punkt, an dem sich der Körper befindet, vom Äquator zu den Polen bewegt, ist, dass der Globus an den Polen etwas abgeflacht ist und der Abstand vom Erdmittelpunkt zu seiner Oberfläche bei an den Polen ist geringer als am Äquator. Ein weiterer, wichtigerer Grund ist die Rotation der Erde.

Gleichheit der trägen und schweren Massen

Die auffälligste Eigenschaft der Gravitationskräfte ist, dass sie allen Körpern unabhängig von ihrer Masse die gleiche Beschleunigung verleihen. Was würden Sie über einen Fußballspieler sagen, dessen Abstoß durch einen gewöhnlichen Lederball und ein Zwei-Pfund-Gewicht gleichermaßen beschleunigt würde? Jeder wird sagen, dass das unmöglich ist. Aber die Erde ist genau so ein „außergewöhnlicher Fußballspieler“, mit dem einzigen Unterschied, dass ihre Wirkung auf Körper nicht den Charakter eines kurzfristigen Schlags hat, sondern kontinuierlich über Milliarden von Jahren anhält.

Die außergewöhnliche Eigenschaft der Gravitationskräfte erklärt sich, wie bereits erwähnt, aus der Tatsache, dass diese Kräfte proportional zu den Massen beider interagierender Körper sind. Diese Tatsache kann nur Überraschung hervorrufen, wenn man sorgfältig darüber nachdenkt. Schließlich bestimmt die Masse eines Körpers, die im zweiten Newtonschen Gesetz enthalten ist, die Trägheitseigenschaften des Körpers, also seine Fähigkeit, unter dem Einfluss einer bestimmten Kraft eine bestimmte Beschleunigung zu erreichen. Es ist natürlich, diese Masse zu nennen träge Masse und bezeichnen mit m und.

Welchen Zusammenhang kann es wohl mit der Fähigkeit von Körpern haben, sich gegenseitig anzuziehen? Die Masse, die die Fähigkeit von Körpern bestimmt, sich gegenseitig anzuziehen, sollte aufgerufen werden Gravitationsmasse m g.

Aus der Newtonschen Mechanik folgt keineswegs, dass die träge und die schwere Masse gleich sind, d. h. dass

Gleichheit (4.6) ist eine direkte Folge des Experiments. Das bedeutet, dass wir einfach von der Masse eines Körpers als quantitativem Maß sowohl seiner Trägheits- als auch seiner Gravitationseigenschaften sprechen können.

Das Gesetz der universellen Gravitation ist eines der universellsten Naturgesetze. Es gilt für alle Körper mit Masse.

Die Bedeutung des Gesetzes der universellen Gravitation

Wenn wir dieses Thema jedoch radikaler angehen, stellt sich heraus, dass das Gesetz der universellen Gravitation nicht überall anwendbar ist. Dieses Gesetz hat seine Anwendung für Körper gefunden, die die Form einer Kugel haben, es kann für materielle Punkte verwendet werden und ist auch für eine Kugel mit einem großen Radius akzeptabel, bei der diese Kugel mit Körpern interagieren kann, die viel kleiner als ihre Größe sind.

Wie Sie vielleicht anhand der Informationen in dieser Lektion erraten haben, ist das Gesetz der universellen Gravitation die Grundlage für das Studium der Himmelsmechanik. Und wie Sie wissen, untersucht die Himmelsmechanik die Bewegung von Planeten.

Dank dieses Gesetzes der universellen Gravitation wurde es möglich, die Position von Himmelskörpern genauer zu bestimmen und ihre Flugbahn zu berechnen.

Aber für einen Körper und eine unendliche Ebene sowie für die Wechselwirkung eines unendlichen Stabes und einer Kugel ist diese Formel nicht anwendbar.

Mit Hilfe dieses Gesetzes konnte Newton nicht nur erklären, wie sich die Planeten bewegen, sondern auch, warum Meeresgezeiten entstehen. Dank der Arbeit von Newton gelang es den Astronomen im Laufe der Zeit, Planeten des Sonnensystems wie Neptun und Pluto zu entdecken.

Die Bedeutung der Entdeckung des Gesetzes der universellen Gravitation liegt darin, dass es mit seiner Hilfe möglich wurde, Vorhersagen über Sonnen- und Mondfinsternisse zu treffen und die Bewegungen von Raumfahrzeugen genau zu berechnen.

Die Kräfte der universellen Schwerkraft sind die universellsten aller Naturkräfte. Schließlich erstreckt sich ihre Wirkung auf die Wechselwirkung zwischen allen Körpern, die Masse haben. Und wie Sie wissen, hat jeder Körper Masse. Die Schwerkraft wirkt durch jeden Körper, da es keine Hindernisse für die Schwerkraft gibt.

Aufgabe

Und nun, um das Wissen über das Gesetz der universellen Gravitation zu festigen, versuchen wir, ein interessantes Problem zu betrachten und zu lösen. Die Rakete stieg auf eine Höhe h von 990 km. Bestimmen Sie, um wie viel die auf die Rakete in der Höhe h wirkende Schwerkraft im Vergleich zur auf die Rakete an der Erdoberfläche wirkenden Schwerkraft mg abgenommen hat? Der Radius der Erde beträgt R = 6400 km. Bezeichnen wir mit m die Masse der Rakete und mit M die Masse der Erde.

In der Höhe h beträgt die Schwerkraft:

Von hier aus berechnen wir:

Das Ersetzen des Werts ergibt folgendes Ergebnis:

Die Legende darüber, wie Newton das Gesetz der universellen Gravitation entdeckte, nachdem er sich mit einem Apfel auf den Kopf geschlagen hatte, wurde von Voltaire erfunden. Darüber hinaus versicherte Voltaire selbst, dass ihm diese wahre Geschichte von Newtons geliebter Nichte Katherine Barton erzählt wurde. Es ist nur seltsam, dass weder die Nichte selbst noch ihr sehr enger Freund Jonathan Swift den schicksalhaften Apfel jemals in ihren Memoiren über Newton erwähnt haben. Übrigens notierte Isaac Newton selbst, der in seinen Notizbüchern ausführlich die Ergebnisse von Experimenten zum Verhalten verschiedener Körper aufschrieb, nur Gefäße, die mit Gold, Silber, Blei, Sand, Glas, Wasser oder Weizen gefüllt waren, ganz zu schweigen von einem Apfel. Dies hinderte Newtons Nachkommen jedoch nicht daran, Touristen durch den Garten des Woolstock-Anwesens zu führen und ihnen denselben Apfelbaum zu zeigen, bevor der Sturm ihn zerstörte.

Ja, es gab einen Apfelbaum, und wahrscheinlich fielen Äpfel von ihm, aber wie groß war der Verdienst des Apfels bei der Entdeckung des Gesetzes der universellen Gravitation?

Die Debatte um den Apfel ist seit 300 Jahren nicht abgeklungen, ebenso wie die Debatte um das Gesetz der universellen Gravitation selbst oder darüber, wer die Priorität der Entdeckung hat.uk

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Physik 10. Klasse

Isaac Newton vermutete, dass zwischen allen Körpern in der Natur Kräfte der gegenseitigen Anziehung bestehen. Diese Kräfte werden aufgerufen durch Gravitationskräfte oder Kräfte der universellen Schwerkraft. Die Kraft der unnatürlichen Schwerkraft manifestiert sich im Weltraum, im Sonnensystem und auf der Erde.

Gesetz der Schwerkraft

Newton verallgemeinerte die Bewegungsgesetze von Himmelskörpern und fand heraus, dass die Kraft \(F\) gleich ist:

\[ F = G \dfrac(m_1 m_2)(R^2) \]

wobei \(m_1\) und \(m_2\) die Massen der interagierenden Körper sind, \(R\) der Abstand zwischen ihnen ist, \(G\) der Proportionalitätskoeffizient ist, der aufgerufen wird Gravitationskonstante. Der numerische Wert der Gravitationskonstante wurde von Cavendish experimentell durch Messung der Wechselwirkungskraft zwischen Bleikugeln bestimmt.

Die physikalische Bedeutung der Gravitationskonstante ergibt sich aus dem Gesetz der universellen Gravitation. Wenn \(m_1 = m_2 = 1 \text(kg)\), \(R = 1 \text(m) \) , dann \(G = F \) , d. h. die Gravitationskonstante ist gleich der Kraft, mit der zwei Körper von je 1 kg im Abstand von 1 m angezogen werden.

Numerischer Wert:

\(G = 6,67 \cdot() 10^(-11) N \cdot() m^2/ kg^2 \) .

Die Kräfte der universellen Schwerkraft wirken zwischen allen Körpern in der Natur, machen sich jedoch bei großen Massen bemerkbar (oder wenn zumindest die Masse eines der Körper groß ist). Das Gesetz der universellen Gravitation gilt nur für materielle Punkte und Kugeln (in diesem Fall wird als Abstand der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Kugeln angenommen).

Schwere

Eine besondere Art der universellen Gravitationskraft ist die Anziehungskraft von Körpern zur Erde (oder zu einem anderen Planeten). Diese Kraft heißt Schwere. Unter dem Einfluss dieser Kraft erlangen alle Körper eine Beschleunigung im freien Fall.

Gemäß Newtons zweitem Gesetz \(g = F_T /m\) gilt also \(F_T = mg \) .

Wenn M die Masse der Erde ist, R ihr Radius ist, m die Masse eines bestimmten Körpers ist, dann ist die Schwerkraft gleich

\(F = G \dfrac(M)(R^2)m = mg \) .

Die Schwerkraft ist immer auf den Erdmittelpunkt gerichtet. Abhängig von der Höhe \(h\) über der Erdoberfläche und der geografischen Breite des Standorts des Körpers nimmt die Erdbeschleunigung unterschiedliche Werte an. Auf der Erdoberfläche und in mittleren Breiten beträgt die Erdbeschleunigung 9,831 m/s 2 .

Körpergewicht

Der Begriff des Körpergewichts ist in der Technik und im Alltag weit verbreitet.

Körpergewicht bezeichnet mit \(P\) . Die Gewichtseinheit ist Newton (N). Da das Gewicht gleich der Kraft ist, mit der der Körper auf die Stütze einwirkt, ist gemäß dem dritten Newtonschen Gesetz das größte Gewicht des Körpers gleich der Reaktionskraft der Stütze. Um das Gewicht des Körpers zu ermitteln, muss daher die Stützreaktionskraft bestimmt werden.

In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass der Körper relativ zur Stütze oder Aufhängung bewegungslos ist.

Das Gewicht eines Körpers und die Schwerkraft unterscheiden sich in ihrer Natur: Das Gewicht eines Körpers ist Ausdruck der Wirkung intermolekularer Kräfte, und die Schwerkraft ist gravitativer Natur.

Man nennt den Zustand eines Körpers, in dem sein Gewicht Null ist Schwerelosigkeit. Der Zustand der Schwerelosigkeit wird in einem Flugzeug oder Raumfahrzeug beobachtet, wenn es sich mit freier Fallbeschleunigung bewegt, unabhängig von der Richtung und dem Wert seiner Bewegungsgeschwindigkeit. Außerhalb der Erdatmosphäre wirkt bei ausgeschalteten Strahltriebwerken nur die Kraft der universellen Schwerkraft auf das Raumschiff. Unter dem Einfluss dieser Kraft bewegen sich das Raumschiff und alle darin befindlichen Körper mit der gleichen Beschleunigung, daher herrscht im Schiff ein Zustand der Schwerelosigkeit.

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Dieser Artikel konzentriert sich auf die Geschichte der Entdeckung des Gesetzes der universellen Gravitation. Hier lernen wir biografische Informationen aus dem Leben des Wissenschaftlers kennen, der dieses physikalische Dogma entdeckt hat, betrachten seine wichtigsten Bestimmungen, den Zusammenhang mit der Quantengravitation, den Entwicklungsverlauf und vieles mehr.

Genius

Sir Isaac Newton ist ein ursprünglich aus England stammender Wissenschaftler. Einst widmete er Wissenschaften wie Physik und Mathematik viel Aufmerksamkeit und Mühe und brachte auch viele neue Dinge in die Mechanik und Astronomie. Er gilt zu Recht als einer der ersten Begründer der Physik in ihrem klassischen Modell. Er ist Autor des grundlegenden Werks „Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“, in dem er Informationen über die drei Gesetze der Mechanik und das Gesetz der universellen Gravitation präsentierte. Isaac Newton legte mit diesen Werken den Grundstein für die klassische Mechanik. Er entwickelte auch einen integralen Typ, die Lichttheorie. Er leistete auch wichtige Beiträge zur physikalischen Optik und entwickelte viele andere Theorien in Physik und Mathematik.

Gesetz

Das Gesetz der universellen Gravitation und die Geschichte seiner Entdeckung reichen bis in die ferne Vergangenheit zurück. Seine klassische Form ist ein Gesetz, das gravitative Wechselwirkungen beschreibt, die nicht über den Rahmen der Mechanik hinausgehen.

Sein Wesen bestand darin, dass der Indikator der Kraft F des Gravitationsschubs, der zwischen zwei Körpern oder Materiepunkten m1 und m2 entsteht, die durch einen bestimmten Abstand r voneinander getrennt sind, die Proportionalität in Bezug auf beide Massenindikatoren beibehält und umgekehrt proportional zu ist Quadrat des Abstands zwischen den Körpern:

F = G, wobei das Symbol G die Gravitationskonstante gleich 6,67408(31).10 -11 m 3 /kgf 2 bezeichnet.

Newtons Schwerkraft

Bevor wir uns mit der Geschichte der Entdeckung des Gesetzes der universellen Gravitation befassen, machen wir uns detaillierter mit seinen allgemeinen Merkmalen vertraut.

In der von Newton entwickelten Theorie sollten alle Körper mit großer Masse ein spezielles Feld um sich herum erzeugen, das andere Objekte anzieht. Es wird Gravitationsfeld genannt und es hat Potenzial.

Ein Körper mit Kugelsymmetrie bildet außerhalb seiner selbst ein Feld, ähnlich dem, das von einem materiellen Punkt gleicher Masse im Zentrum des Körpers erzeugt wird.

Die Richtung der Flugbahn eines solchen Punktes im Gravitationsfeld, der von einem Körper mit einer viel größeren Masse erzeugt wird, gehorcht ihr auch, wenn er sich entlang einer Ellipse bewegt, wie zum Beispiel ein Planet oder ein Komet Hyperbel. Die Verzerrung, die andere massive Körper erzeugen, wird mit den Bestimmungen der Störungstheorie berücksichtigt.

Genauigkeit analysieren

Nachdem Newton das Gesetz der universellen Gravitation entdeckt hatte, musste es viele Male getestet und bewiesen werden. Zu diesem Zweck wurden eine Reihe von Berechnungen und Beobachtungen durchgeführt. Die experimentelle Form der Auswertung dient nach Übereinstimmung mit ihren Bestimmungen und auf der Grundlage der Genauigkeit ihres Indikators als klare Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Die Messung der Quadrupolwechselwirkungen eines rotierenden Körpers, dessen Antennen jedoch stationär bleiben, zeigt uns, dass der Prozess der Erhöhung von δ vom Potential r -(1+δ) in einer Entfernung von mehreren Metern abhängt und im Grenzbereich (2,1 ±) liegt 6.2) .10 -3 . Eine Reihe weiterer praktischer Bestätigungen ermöglichten es diesem Gesetz, sich zu etablieren und ohne Änderungen eine einheitliche Form anzunehmen. Im Jahr 2007 wurde dieses Dogma in einem Abstand von weniger als einem Zentimeter (55 Mikrometer – 9,59 mm) erneut überprüft. Unter Berücksichtigung der Fehler des Experiments untersuchten die Wissenschaftler den Entfernungsbereich und fanden keine offensichtlichen Abweichungen in diesem Gesetz.

Auch die Beobachtung der Umlaufbahn des Mondes im Verhältnis zur Erde bestätigte seine Gültigkeit.

Euklidischer Raum

Newtons klassische Gravitationstheorie ist mit dem euklidischen Raum verbunden. Die tatsächliche Gleichheit mit einer ziemlich hohen Genauigkeit (10 -9) der Indikatoren des Abstandsmaßes im Nenner der oben diskutierten Gleichheit zeigt uns die euklidische Basis des Raums der Newtonschen Mechanik mit einer dreidimensionalen physikalischen Form. An einem solchen Punkt der Materie weist die Fläche der Kugeloberfläche eine exakte Proportionalität zum Quadrat ihres Radius auf.

Daten aus der Geschichte

Betrachten wir eine kurze Geschichte der Entdeckung des Gesetzes der universellen Gravitation.

Ideen wurden von anderen Wissenschaftlern vorgebracht, die vor Newton lebten. Epikur, Kepler, Descartes, Roberval, Gassendi, Huygens und andere dachten darüber nach. Kepler stellte die Hypothese auf, dass die Schwerkraft umgekehrt proportional zur Entfernung von der Sonne ist und sich nur in den Ekliptikebenen erstreckt; Laut Descartes war es eine Folge der Aktivität von Wirbeln in der Dicke des Äthers. Es gab eine Reihe von Vermutungen, die die richtigen Vermutungen über die Abhängigkeit von der Entfernung widerspiegelten.

Ein Brief von Newton an Halley enthielt Informationen darüber, dass die Vorgänger von Sir Isaac selbst Hooke, Wren und Buyot Ismael waren. Vor ihm war es jedoch niemandem gelungen, mithilfe mathematischer Methoden einen klaren Zusammenhang zwischen dem Gesetz der Schwerkraft und der Planetenbewegung herzustellen.

Die Geschichte der Entdeckung des Gesetzes der universellen Gravitation ist eng mit dem Werk „Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“ (1687) verbunden. In dieser Arbeit gelang es Newton, das fragliche Gesetz dank des zu diesem Zeitpunkt bereits bekannten empirischen Gesetzes von Kepler abzuleiten. Er zeigt uns, dass:

• Die Bewegungsform jedes sichtbaren Planeten weist auf die Anwesenheit einer zentralen Kraft hin.
• Die Anziehungskraft des zentralen Typs bildet elliptische oder hyperbolische Bahnen.

Über Newtons Theorie

Eine Untersuchung der kurzen Geschichte der Entdeckung des Gesetzes der universellen Gravitation kann uns auch auf eine Reihe von Unterschieden hinweisen, die es von früheren Hypothesen unterscheiden. Newton veröffentlichte nicht nur die vorgeschlagene Formel für das betrachtete Phänomen, sondern schlug auch ein vollständiges mathematisches Modell vor:

• Stellung zum Gesetz der Schwerkraft;
• Bestimmung zum Bewegungsgesetz;
• Systematik der Methoden der mathematischen Forschung.

Diese Triade konnte selbst die komplexesten Bewegungen von Himmelsobjekten ziemlich genau untersuchen und so die Grundlage für die Himmelsmechanik schaffen. Bis Einstein mit seiner Arbeit begann, erforderte dieses Modell keine grundlegenden Korrekturen. Lediglich der mathematische Apparat musste deutlich verbessert werden.

Diskussionsgegenstand

Das entdeckte und bewährte Gesetz wurde im Laufe des 18. Jahrhunderts zu einem bekannten Gegenstand aktiver Debatten und sorgfältiger Überprüfung. Das Jahrhundert endete jedoch mit allgemeiner Zustimmung zu seinen Postulaten und Aussagen. Mithilfe der Berechnungen des Gesetzes war es möglich, die Bewegungsbahnen von Körpern am Himmel genau zu bestimmen. Die direkte Verifizierung erfolgte 1798. Er tat dies mit einer Torsionswaage mit großer Sensibilität. In der Geschichte der Entdeckung des universellen Gesetzes der Schwerkraft ist es notwendig, den von Poisson eingeführten Interpretationen einen besonderen Platz einzuräumen. Er entwickelte das Konzept des Gravitationspotentials und die Poisson-Gleichung, mit der es möglich war, dieses Potential zu berechnen. Diese Art von Modell ermöglichte die Untersuchung des Gravitationsfeldes in Gegenwart einer willkürlichen Materieverteilung.

Newtons Theorie hatte viele Schwierigkeiten. Der Hauptgrund hierfür ist die Unerklärlichkeit weitreichender Maßnahmen. Es war unmöglich, die Frage, wie Gravitationskräfte mit unendlicher Geschwindigkeit durch den Vakuumraum geschickt werden, genau zu beantworten.

„Evolution“ des Rechts

Im Laufe der nächsten zweihundert Jahre und noch länger versuchten viele Physiker, verschiedene Wege zur Verbesserung von Newtons Theorie vorzuschlagen. Diese Bemühungen endeten 1915 mit einem Triumph, nämlich der Schaffung der Allgemeinen Relativitätstheorie, die von Einstein geschaffen wurde. Es gelang ihm, alle Schwierigkeiten zu überwinden. Gemäß dem Korrespondenzprinzip erwies sich Newtons Theorie als eine Annäherung an den Beginn der Arbeit an der Theorie in einer allgemeineren Form, die unter bestimmten Bedingungen angewendet werden kann:

1. Das Potenzial der Gravitationsnatur kann in den untersuchten Systemen nicht zu groß sein. Das Sonnensystem ist ein Beispiel für die Einhaltung aller Regeln für die Bewegung von Himmelskörpern. Das relativistische Phänomen findet sich in einer auffälligen Manifestation der Perihelverschiebung wieder.
2. Die Bewegungsgeschwindigkeit in dieser Systemgruppe ist im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit unbedeutend.

Der Beweis dafür, dass in einem schwachen stationären Gravitationsfeld allgemeine Relativitätsrechnungen die Form von Newtonschen Berechnungen annehmen, ist das Vorhandensein eines skalaren Gravitationspotentials in einem stationären Feld mit schwach ausgeprägten Krafteigenschaften, das die Bedingungen der Poisson-Gleichung erfüllen kann.

Quantenskala

In der Geschichte konnten jedoch weder die wissenschaftliche Entdeckung des Gesetzes der universellen Gravitation noch die Allgemeine Relativitätstheorie als endgültige Gravitationstheorie dienen, da beide gravitationsartige Prozesse auf der Quantenskala nicht zufriedenstellend beschreiben. Der Versuch, eine Quantengravitationstheorie zu entwickeln, ist eine der wichtigsten Aufgaben der modernen Physik.

Aus Sicht der Quantengravitation entsteht die Interaktion zwischen Objekten durch den Austausch virtueller Gravitonen. Gemäß dem Unschärfeprinzip ist das Energiepotential virtueller Gravitonen umgekehrt proportional zur Zeitspanne, in der sie existierten, vom Zeitpunkt der Emission durch ein Objekt bis zum Zeitpunkt der Absorption durch einen anderen Punkt.

Vor diesem Hintergrund stellt sich heraus, dass die Wechselwirkung von Körpern auf einer kleinen Distanzskala den Austausch virtueller Gravitonen mit sich bringt. Dank dieser Überlegungen ist es möglich, eine Aussage über das Newtonsche Potentialgesetz und seine Abhängigkeit vom umgekehrten Proportionalitätsindex in Bezug auf den Abstand zu treffen. Die Analogie zwischen den Gesetzen von Coulomb und Newton erklärt sich aus der Tatsache, dass das Gewicht der Gravitonen Null ist. Das Gewicht von Photonen hat die gleiche Bedeutung.

Missverständnis

Im Schullehrplan ist die Antwort auf die Frage aus der Geschichte, wie Newton das Gesetz der universellen Gravitation entdeckte, die Geschichte einer fallenden Apfelfrucht. Der Legende nach fiel es dem Wissenschaftler auf den Kopf. Dies ist jedoch ein weit verbreiteter Irrglaube, und in Wirklichkeit wäre alles möglich gewesen, ohne dass es zu einer solchen möglichen Kopfverletzung gekommen wäre. Newton selbst bestätigte diesen Mythos manchmal, aber in Wirklichkeit war das Gesetz keine spontane Entdeckung und entstand nicht in einem Anfall flüchtiger Einsicht. Wie oben geschrieben, wurde es über einen langen Zeitraum entwickelt und erstmals in den Werken zu den „Mathematischen Prinzipien“ vorgestellt, die 1687 der Öffentlichkeit zugänglich gemacht wurden.