La gravedad es la fuerza más poderosa en el Universo, uno de los cuatro fundamentos fundamentales del universo, que determina su estructura. Una vez, gracias a ella, surgieron planetas, estrellas y galaxias enteras. Hoy mantiene a la Tierra en órbita en su interminable viaje alrededor del Sol.
La atracción es de gran importancia para la vida cotidiana del hombre. Gracias a este poder invisible, los océanos de nuestro mundo pulsan, los ríos fluyen, las gotas de lluvia caen al suelo. Desde la infancia, sentimos el peso de nuestro cuerpo y los objetos circundantes. La influencia de la gravedad en nuestra actividad económica es inmensa.
La primera teoría de la gravedad fue creada por Isaac Newton a fines del siglo XVII. Su Ley del Mundo describe esta interacción en el marco de la mecánica clásica. Más ampliamente, este fenómeno fue descrito por Einstein en su teoría general de la relatividad, que se publicó a principios del siglo pasado. Los procesos que ocurren con el poder de las partículas elementales deberían explicar la teoría cuántica de la gravedad, pero aún no se ha creado.
Hoy conocemos la naturaleza de la gravedad mucho más que en el momento de Newton, pero, a pesar de los siglos de estudio, sigue siendo un verdadero escollo de la física moderna. En la teoría de la gravedad existente, hay muchos puntos blancos, y todavía no entendemos exactamente qué la causa y cómo se transfiere esta interacción. Y, por supuesto, estamos muy lejos de poder controlar la fuerza de la gravedad, por lo que la antigravedad o la levitación existirán durante mucho tiempo solo en las páginas de las novelas de ciencia ficción.
¿Qué cayó sobre la cabeza de Newton?
La gente pensó en la naturaleza de la fuerza, que atrae objetos al suelo en todo momento, pero Isaac Newton logró levantar el velo del secreto solo en el siglo xvn. La base de su avance radica en las obras de Kepler y Galileo, científicos brillantes que estudiaron los movimientos de los cuerpos celestes.
Otro siglo y medio antes de la Ley Newtoniana del Mundo, el astrónomo polaco Copérnico creyó que la atracción es "... nada más que la tendencia natural con la que el padre del Universo dotó a todas las partículas, es decir, a unirse en un todo, formando cuerpos esféricos". Descartes consideraba la atracción como consecuencia de perturbaciones en el mundo del éter. El filósofo y científico griego Aristóteles estaba convencido de que la masa afecta la velocidad de los cuerpos que caen. Y solo Galileo Galilei a fines del siglo XVI demostró que esto no es cierto: si no hay resistencia del aire, todos los objetos se aceleran de la misma manera.
Al contrario de la leyenda común sobre la cabeza y la manzana, Newton se dedicó a comprender la naturaleza de la gravedad durante más de veinte años. Su ley de la gravedad es uno de los descubrimientos científicos más importantes de todos los tiempos y pueblos. Es universal y le permite calcular las trayectorias de los cuerpos celestes y describe con precisión el comportamiento de los objetos que nos rodean. La teoría clásica del cielo sentó las bases de la mecánica celeste. Las tres leyes de Newton dieron a los científicos la oportunidad de descubrir nuevos planetas literalmente "en la punta de la pluma", después de todo, gracias a ellos, el hombre pudo superar la gravedad de la tierra y volar al espacio. Trajeron una base científica estricta bajo el concepto filosófico de la unidad material del universo, en el cual todos los fenómenos naturales están interconectados y controlados por reglas físicas generales.
Newton no solo publicó una fórmula para calcular la fuerza que atrae a los cuerpos entre sí, sino que creó un modelo completo, que también incluía el análisis matemático. Estas conclusiones teóricas se han confirmado repetidamente en la práctica, incluido el uso de los métodos más modernos.
En la teoría newtoniana, cualquier objeto material genera un campo de atracción, que se llama gravitacional. Además, la fuerza es proporcional a la masa de ambos cuerpos e inversamente proporcional a la distancia entre ellos:
F = (G m1 m2) / r2
G es la constante gravitacional, que es 6.67 × 10−11 m³ / (kg · s²). Primero pudo calcular Henry Cavendish en 1798.
En la vida cotidiana y en las disciplinas aplicadas, la fuerza con la que la tierra atrae al cuerpo se conoce como su peso. La atracción entre dos objetos materiales en el Universo es lo que la gravedad es en palabras simples.
La fuerza de atracción es la más débil de las cuatro interacciones fundamentales de la física, pero gracias a sus características es capaz de regular el movimiento de los sistemas estelares y las galaxias:
- La atracción funciona a cualquier distancia, esta es la principal diferencia entre la gravedad y las interacciones nucleares fuertes y débiles. Con el aumento de la distancia, su acción disminuye, pero nunca llega a ser cero, por lo que podemos decir que incluso dos átomos en diferentes extremos de la galaxia tienen un efecto mutuo. Es solo muy pequeño;
- La gravedad es universal. El campo de atracción es inherente a cualquier cuerpo material. Los científicos aún no han descubierto en nuestro planeta o en el espacio un objeto que no participaría en la interacción de este tipo, por lo que el papel de la gravedad en la vida del Universo es enorme. Esto es diferente de la interacción electromagnética, cuyo efecto en los procesos espaciales es mínimo, ya que en la naturaleza la mayoría de los cuerpos son eléctricamente neutros. Las fuerzas gravitacionales no pueden ser limitadas o filtradas;
- Actúa no solo sobre la materia, sino también sobre la energía. Para él, la composición química de los objetos no importa, solo su masa juega un papel.
Usando la fórmula de Newton, la fuerza de atracción se puede calcular fácilmente. Por ejemplo, la gravedad en la Luna es varias veces más pequeña que en la Tierra, porque nuestro satélite tiene una masa relativamente pequeña. Pero es suficiente para formar flujos y reflujos regulares en los océanos. En la Tierra, la aceleración de la caída libre es de aproximadamente 9.81 m / s2. Y en los polos, es algo más grande que en el ecuador.
A pesar de la enorme importancia para el desarrollo de la ciencia, las leyes de Newton tenían una serie de puntos débiles que no dieron descanso a los investigadores. No estaba claro cómo actúa la gravedad a través de un espacio absolutamente vacío para distancias enormes y a una velocidad inconcebible. Además, los datos comenzaron a acumularse gradualmente, lo que contradecía las leyes de Newton: por ejemplo, la paradoja gravitatoria o el desplazamiento del perihelio de Mercurio. Se hizo obvio que la teoría de la agresión universal requiere refinamiento. Este honor recayó en el brillante físico alemán Albert Einstein.
Atracción y teoría de la relatividad
La negativa de Newton a discutir la naturaleza de la gravedad ("No invento hipótesis") fue una evidente debilidad de su concepto. No en vano, en los años siguientes, aparecieron muchas teorías de la gravedad.
La mayoría de ellos pertenecían a los llamados modelos hidrodinámicos, que intentaban justificar el surgimiento de una interacción mecánica de objetos materiales con alguna sustancia intermedia que tiene ciertas propiedades. Los investigadores lo llamaron de manera diferente: "vacío", "éter", "flujo de gravitón", etc. En este caso, la fuerza de atracción entre los cuerpos surgió como resultado de un cambio en esta sustancia, cuando fue absorbida por objetos o flujos filtrados. En realidad, todas estas teorías tenían un serio inconveniente: predecir con bastante precisión la dependencia de la fuerza gravitatoria en la distancia, tenían que conducir a la desaceleración de los cuerpos que se movían en relación con el "éter" o el "flujo del gravitón".
Einstein abordó este tema desde un ángulo diferente. En su teoría general de la relatividad (GTR), la gravedad no es vista como una interacción de fuerzas, sino como una propiedad del espacio-tiempo. Cualquier objeto que tenga una masa conduce a su curvatura, lo que provoca atracción. En este caso, la gravedad es un efecto geométrico, que se considera en el marco de la geometría no euclidiana.
En pocas palabras, el continuo espacio-tiempo afecta a la materia, causando su movimiento. Y eso, a su vez, afecta al espacio, "indicándole" cómo doblarse.
Las fuerzas de atracción actúan en el microcosmos, pero a nivel de las partículas elementales, su influencia, en comparación con la interacción electrostática, es insignificante. Los físicos creen que la interacción gravitatoria no fue inferior a las otras en los primeros momentos (10 -43 seg.) Después del Big Bang.
En la actualidad, el concepto de gravedad, propuesto en la teoría general de la relatividad, es la principal hipótesis de trabajo aceptada por la mayoría de la comunidad científica y confirmada por los resultados de numerosos experimentos.
Einstein en su trabajo previó los sorprendentes efectos de las fuerzas gravitacionales, la mayoría de las cuales ya han sido confirmadas. Por ejemplo, la posibilidad de cuerpos masivos para doblar los rayos de luz e incluso ralentizar el paso del tiempo. Este último fenómeno se tiene necesariamente en cuenta cuando se operan sistemas de navegación satelital globales como GLONASS y GPS, de lo contrario, en pocos días, su error sería de decenas de kilómetros.
Además, la consecuencia de la teoría de Einstein son los llamados efectos sutiles de la gravedad, como el campo magnético gravitatorio y la inercia de los sistemas de referencia inerciales (también conocidos como el efecto Lense-Thirring). Estas manifestaciones de fuerza son tan débiles que durante mucho tiempo no pudieron ser detectadas. Solo en 2005, gracias a la misión Gravity Probe B exclusiva de la NASA, se confirmó el efecto Lense-Thirring.
La radiación gravitacional o el descubrimiento más fundamental de los últimos años.
Las ondas gravitacionales son oscilaciones de una estructura geométrica espacio-tiempo, que se propagan a la velocidad de la luz. Einstein también predijo la existencia de este fenómeno en la relatividad general, pero debido a la debilidad de la fuerza, su magnitud es muy pequeña, por lo que no pudo detectarse durante mucho tiempo. Sólo la evidencia indirecta habló a favor de la existencia de radiación.
Tales ondas generan objetos materiales que se mueven con una aceleración asimétrica. Los científicos los describen como "ondas del espacio-tiempo". Las fuentes más poderosas de dicha radiación son galaxias en colisión y sistemas en colapso que consisten en dos objetos. Un ejemplo típico de este último caso es la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones. En tales procesos, la radiación gravitacional puede pasar más del 50% de la masa total del sistema.
Las ondas gravitacionales se descubrieron por primera vez en 2015 utilizando dos observatorios LIGO. Casi de inmediato, este evento recibió el estado del mayor descubrimiento en física en las últimas décadas. En 2017, se le otorgó el Premio Nobel. Después de eso, los científicos han podido en varias ocasiones reparar la radiación gravitacional.
En los años 70 del siglo pasado, mucho antes de la confirmación experimental, los científicos sugirieron usar la radiación gravitacional para llevar a cabo comunicaciones de larga distancia. Su ventaja indudable es la alta capacidad de pasar a través de cualquier sustancia sin ser absorbida. Pero en la actualidad es difícilmente posible, porque existen enormes dificultades con la generación y recepción de estas olas. Sí, y el conocimiento real sobre la naturaleza de la gravedad no es suficiente.
Hoy en día, hay varias instalaciones en diferentes países alrededor del mundo, similares a LIGO, y se están construyendo otras nuevas. Es probable que en un futuro cercano aprendamos más sobre la radiación gravitacional.
Teorías alternativas de la amplitud mundial y los motivos de su creación.
Actualmente, el concepto dominante de gravedad es GR. Está de acuerdo con toda la gama existente de datos experimentales y observaciones. Al mismo tiempo, tiene un gran número de puntos claramente débiles y puntos controvertidos, por lo tanto, los intentos de crear nuevos modelos que expliquen la naturaleza de la gravedad no cesan.
Todas las teorías de la percepción mundial que se han desarrollado hasta ahora se pueden dividir en varios grupos principales:
- estándar
- alternativa
- cuántica
- Teoría del campo único.
Los intentos de crear un nuevo concepto de mundo se hicieron en el siglo XIX. Varios autores incluyeron el éter o la teoría corpuscular de la luz. Pero la llegada del GR puso fin a estas exploraciones. Después de su publicación, el objetivo de los científicos ha cambiado: ahora sus esfuerzos estaban dirigidos a mejorar el modelo de Einstein, incluyendo nuevos fenómenos naturales en él: la parte posterior de las partículas, la expansión del Universo, etc.
A principios de la década de 1980, los físicos rechazaron experimentalmente todos los conceptos, excepto aquellos que incluían GTR como parte integral. En este momento, entró en boga "teorías de cuerdas", que parecían muy prometedoras. Pero no se ha encontrado una confirmación experimentada de estas hipótesis. En las últimas décadas, la ciencia ha alcanzado alturas significativas y ha acumulado una gran variedad de datos empíricos. Hoy, los intentos de crear teorías alternativas de la gravedad se inspiran principalmente en investigaciones cosmológicas relacionadas con conceptos como "materia oscura", "inflación", "energía oscura".
Una de las tareas principales de la física moderna es la unificación de dos direcciones fundamentales: la teoría cuántica y la relatividad general. Los científicos buscan asociar la atracción con otros tipos de interacciones, creando así una "teoría de todo". Esto es exactamente lo que está haciendo la gravedad cuántica: una rama de la física que está tratando de dar una descripción cuántica de la interacción gravitatoria. Una rama de esta dirección es la teoría de la gravedad del bucle.
A pesar de los esfuerzos activos y de largo plazo, este objetivo aún no se ha logrado. Y el asunto no está ni en la complejidad de esta tarea: es simplemente que la base de la teoría cuántica y los RG son paradigmas completamente diferentes. La mecánica cuántica funciona con sistemas físicos que actúan en el contexto del espacio-tiempo ordinario. Y en la teoría de la relatividad, el espacio-tiempo en sí mismo es un componente dinámico, dependiendo de los parámetros de los sistemas clásicos que están en él.
Junto con las hipótesis científicas del mundo, también hay teorías que están lejos de la física moderna. Desafortunadamente, en los últimos años, tal "obra" acaba de inundar Internet y las estanterías de las librerías. Algunos autores de tales trabajos generalmente informan al lector que la gravedad no existe, y las leyes de Newton y Einstein son invenciones y mistificaciones.
Un ejemplo es el trabajo del "científico" Nikolai Levashov, quien afirma que Newton no descubrió la ley del mundo, y que solo los planetas y nuestra luna, la Luna, tienen una fuerza gravitatoria en el sistema solar. La evidencia de este "científico ruso" lleva bastante extraño. Uno de ellos es el vuelo de la sonda estadounidense NEAR Shoemaker al asteroide Eros, que tuvo lugar en 2000. La ausencia de atracción entre la sonda y el cuerpo celeste Levashov considera la evidencia de la falsedad de las obras de Newton y la conspiración de los físicos que ocultan a las personas la verdad sobre la gravedad.
De hecho, la nave completó con éxito su misión: primero, entró en la órbita del asteroide y luego realizó un aterrizaje suave en su superficie.
La gravedad artificial y por qué es necesaria.
Dos conceptos están asociados con la gravedad, que, a pesar de su estado teórico actual, son bien conocidos por el público en general. Esta antigravedad y gravedad artificial.
La antigravedad es el proceso de contrarrestar la fuerza de la gravedad, que puede reducirla significativamente o incluso reemplazarla con la repulsión. Dominar esta tecnología llevaría a una verdadera revolución en el transporte, la aviación, la exploración del espacio exterior y cambiaría radicalmente toda nuestra vida. Pero en la actualidad, la posibilidad de anti-gravedad ni siquiera tiene una confirmación teórica. Además, basado en GTR, este fenómeno no es en absoluto factible, ya que no puede haber una masa negativa en nuestro Universo. Es posible que en el futuro aprendamos más sobre la gravedad y aprendamos a construir aviones basados en este principio.
La gravedad artificial es un cambio hecho por el hombre a la fuerza de gravedad existente. Hoy en día, no necesitamos esa tecnología, pero la situación definitivamente cambiará después del inicio de los viajes espaciales a largo plazo. Y la cosa es nuestra fisiología. El cuerpo humano, "acostumbrado" por millones de años de evolución a la gravedad constante de la Tierra, es extremadamente negativo sobre los efectos de la reducción de la gravedad. La permanencia prolongada, incluso en las condiciones de la gravedad lunar (seis veces más débil que la de la Tierra) puede llevar a tristes consecuencias. La ilusión de atracción se puede crear utilizando otras fuerzas físicas, como la inercia. Sin embargo, estas opciones son complejas y caras. 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.
