แรงโน้มถ่วงในนิยามฟิสิกส์คืออะไร แรงโน้มถ่วงและแรงโน้มถ่วงสากล

ความสูงที่ดาวเทียมประดิษฐ์เคลื่อนที่นั้นเทียบได้กับรัศมีของโลกอยู่แล้ว ดังนั้นในการคำนวณวิถีโคจรโดยคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของแรงโน้มถ่วงด้วยระยะทางที่เพิ่มขึ้นจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่ง

ดังนั้น กาลิเลโอจึงแย้งว่าวัตถุทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากความสูงระดับหนึ่งใกล้กับพื้นผิวโลกจะตกลงมาด้วยความเร่งเท่ากัน g (หากละเลยแรงต้านของอากาศ) แรงที่ทำให้เกิดความเร่งนี้เรียกว่าแรงโน้มถ่วง ให้เราใช้กฎข้อที่สองของนิวตันกับแรงโน้มถ่วงโดยพิจารณาว่าเป็นความเร่ง เอ ความเร่งของแรงโน้มถ่วง g . ดังนั้นแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อร่างกายสามารถเขียนได้ดังนี้:

F g =mg

แรงนี้พุ่งลงสู่ศูนย์กลางของโลก

เพราะ ในระบบ SI ก. = 9.8 แล้วแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุที่มีมวล 1 กิโลกรัมคือ

เราใช้สูตรของกฎความโน้มถ่วงสากลเพื่ออธิบายแรงโน้มถ่วง - แรงโน้มถ่วงระหว่างโลกกับวัตถุที่อยู่บนพื้นผิวของมัน จากนั้น ม. 1 จะถูกแทนที่ด้วยมวลของโลก ม. 3 และ r - ด้วยระยะทางถึงศูนย์กลางของโลกเช่น ถึงรัศมีของโลก r 3 . ดังนั้นเราจึงได้รับ:

โดยที่ m คือมวลของวัตถุที่อยู่บนพื้นผิวโลก จากความเท่าเทียมกันนี้จะเป็นไปตามที่:

กล่าวอีกนัยหนึ่งความเร่งของการตกอย่างอิสระบนพื้นผิวโลก g ถูกกำหนดโดยค่า ม. 3 และ ร. 3 .

บนดวงจันทร์ บนดาวเคราะห์ดวงอื่น หรือในอวกาศ แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุที่มีมวลเท่ากันจะแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น บนดวงจันทร์ ค่า g หมายถึงเพียงหนึ่งในหก g บนโลกและวัตถุมวล 1 กิโลกรัมได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงเท่ากับ 1.7 นิวตันเท่านั้น

จนกว่าจะวัดค่าคงที่โน้มถ่วง G มวลของโลกยังไม่ทราบ และหลังจากวัดค่า G โดยใช้อัตราส่วนแล้ว ก็สามารถคำนวณมวลของโลกได้ นี้เป็นครั้งแรกที่ทำโดย Henry Cavendish ตัวเอง แทนค่า g=9.8m/s และรัศมีของโลก r z =6.3810 6 ลงในสูตรความเร่งของการตกอย่างอิสระ เราได้ค่ามวลของโลกดังต่อไปนี้:

สำหรับแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุใกล้กับพื้นผิวโลก เราสามารถใช้นิพจน์ mg ได้ หากจำเป็นต้องคำนวณแรงดึงดูดที่กระทำต่อวัตถุที่อยู่ห่างจากโลกหรือแรงที่เกิดจากวัตถุท้องฟ้าอื่น (เช่น ดวงจันทร์หรือดาวเคราะห์ดวงอื่น) ควรใช้ค่า g คำนวณโดยใช้สูตรที่รู้จักกันดีซึ่งต้องแทนที่ r 3 และ m 3 ด้วยระยะทางและมวลที่สอดคล้องกัน คุณสามารถใช้สูตรของกฎความโน้มถ่วงสากลได้โดยตรง มีหลายวิธีในการหาความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงอย่างแม่นยำมาก เราสามารถหา g ได้ง่ายๆ โดยการชั่งน้ำหนักมาตรฐานบนเครื่องชั่งสปริง มาตราส่วนทางธรณีวิทยาจะต้องน่าทึ่ง - ฤดูใบไม้ผลิของพวกมันเปลี่ยนความตึงเครียดเมื่อเพิ่มน้ำหนักน้อยกว่าหนึ่งในล้านของกรัม เครื่องชั่งทอร์ชันควอตซ์ให้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยม โดยหลักการแล้วอุปกรณ์ของพวกเขานั้นเรียบง่าย คันโยกเชื่อมเข้ากับเส้นใยควอทซ์ที่ยืดในแนวนอน โดยมีน้ำหนักที่ไส้บิดงอเล็กน้อย:

ลูกตุ้มยังใช้เพื่อจุดประสงค์เดียวกัน จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ วิธีการวัดลูกตุ้ม g เป็นเพียงวิธีเดียวและในยุค 60 - 70 เท่านั้น พวกเขาเริ่มถูกแทนที่ด้วยวิธีน้ำหนักที่สะดวกและแม่นยำยิ่งขึ้น ไม่ว่าในกรณีใด โดยการวัดคาบการสั่นของลูกตุ้มทางคณิตศาสตร์ สามารถใช้สูตรในการหาค่าของ g ได้อย่างแม่นยำทีเดียว ด้วยการวัดค่า g ในตำแหน่งต่างๆ บนเครื่องมือเดียวกัน เราสามารถตัดสินการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ของแรงโน้มถ่วงด้วยความแม่นยำของชิ้นส่วนต่อล้าน

ค่าความเร่งโน้มถ่วง g ที่จุดต่าง ๆ บนโลกนั้นแตกต่างกันบ้าง จากสูตร g = Gm 3 จะเห็นได้ว่าค่า g จะต้องน้อยกว่า เช่น บนยอดภูเขา มากกว่าที่ระดับน้ำทะเล เนื่องจากระยะห่างจากจุดศูนย์กลางของโลกถึงยอดภูเขาค่อนข้างน้อย มากขึ้น อันที่จริง ความจริงข้อนี้ถูกสร้างขึ้นโดยการทดลอง อย่างไรก็ตาม สูตร g=Gm 3 /r 3 2 ไม่ได้ให้ค่าที่แน่นอนของ g ในทุกจุด เนื่องจากพื้นผิวโลกไม่ได้มีลักษณะเป็นทรงกลมอย่างแน่นอน: ไม่เพียงแต่มีภูเขาและทะเลอยู่บนพื้นผิวของมันเท่านั้น แต่ยังมีการเปลี่ยนแปลงรัศมีของโลกที่เส้นศูนย์สูตรด้วย นอกจากนี้มวลของโลกไม่ได้กระจายอย่างสม่ำเสมอ การหมุนของโลกยังส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงในก.

อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติของความเร่งโน้มถ่วงกลับกลายเป็นว่าซับซ้อนกว่าที่กาลิเลโอคิดไว้ ค้นหาว่าขนาดของความเร่งขึ้นอยู่กับละติจูดที่วัด:

ขนาดของความเร่งการตกอย่างอิสระยังแปรผันตามความสูงเหนือพื้นผิวโลกด้วย:

เวกเตอร์ความเร่งโน้มถ่วงจะพุ่งลงมาในแนวตั้งเสมอ แต่ตามแนวดิ่ง ณ ตำแหน่งที่กำหนดบนโลก

ดังนั้นที่ละติจูดเดียวกันและที่ระดับความสูงเหนือระดับน้ำทะเลเท่ากัน ความเร่งของแรงโน้มถ่วงจึงควรเท่ากัน การวัดที่แม่นยำแสดงให้เห็นว่าบ่อยครั้งที่มีการเบี่ยงเบนจากบรรทัดฐานนี้ - ความผิดปกติของแรงโน้มถ่วง สาเหตุของความผิดปกติคือการกระจายมวลที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันใกล้กับสถานที่ตรวจวัด

ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว แรงโน้มถ่วงจากด้านข้างของวัตถุขนาดใหญ่สามารถแสดงเป็นผลรวมของแรงที่กระทำจากอนุภาคแต่ละตัวของวัตถุขนาดใหญ่ แรงดึงดูดของลูกตุ้มโดยโลกเป็นผลมาจากการกระทำของอนุภาคทั้งหมดของโลกบนนั้น แต่เห็นได้ชัดว่าอนุภาคที่อยู่ใกล้ทำให้เกิดแรงรวมมากที่สุด เพราะแรงดึงดูดนั้นแปรผกผันกับกำลังสองของระยะทาง

ถ้ามวลหนักกระจุกตัวอยู่ใกล้สถานที่วัด g จะมากกว่าค่าปกติ มิฉะนั้น g จะน้อยกว่าค่าปกติ

ตัวอย่างเช่น หากวัด g บนภูเขาหรือบนเครื่องบินที่บินอยู่เหนือทะเลที่ระดับความสูงของภูเขา ในกรณีแรกจะได้ตัวเลขขนาดใหญ่ นอกจากนี้ ค่าของ g ที่สูงกว่าค่าปกติคือเกาะในมหาสมุทรอันเงียบสงบ เป็นที่ชัดเจนว่าในทั้งสองกรณี การเพิ่มขึ้นของ g นั้นอธิบายได้จากความเข้มข้นของมวลเพิ่มเติม ณ ตำแหน่งที่ทำการวัด

ไม่เพียงแต่ค่าของ g เท่านั้น แต่ทิศทางของแรงโน้มถ่วงยังสามารถเบี่ยงเบนไปจากค่าปกติได้อีกด้วย หากคุณวางสิ่งของบนด้าย ด้ายที่ยาวจะแสดงแนวตั้งสำหรับสถานที่นี้ แนวดิ่งนี้อาจเบี่ยงเบนไปจากบรรทัดฐาน นักธรณีวิทยารู้จักทิศทาง "ปกติ" ของแนวตั้งจากแผนที่พิเศษซึ่งสร้างรูปร่าง "ในอุดมคติ" ของโลกตามข้อมูลเกี่ยวกับค่าของ g

ลองทำการทดลองกับลูกดิ่งที่เชิงเขาใหญ่กัน น้ำหนักของลูกดิ่งถูกดึงดูดโดยโลกไปยังศูนย์กลางและโดยภูเขา - ไปด้านข้าง เส้นดิ่งต้องเบี่ยงเบนภายใต้สภาวะดังกล่าวจากทิศทางของแนวตั้งปกติ เนื่องจากมวลของโลกมากกว่ามวลของภูเขามาก ความเบี่ยงเบนดังกล่าวจึงไม่เกินสองสามอาร์ควินาที

แนวตั้ง "ปกติ" ถูกกำหนดโดยดวงดาว เนื่องจากสำหรับจุดทางภูมิศาสตร์ใดๆ มันได้รับการคำนวณที่ตำแหน่งใดบนท้องฟ้าในช่วงเวลาที่กำหนดของวันและปีแนวตั้งของรูปร่าง "ในอุดมคติ" ของโลก "พัก"

การเบี่ยงเบนของเส้นดิ่งบางครั้งนำไปสู่ผลลัพธ์ที่แปลก ตัวอย่างเช่น ในฟลอเรนซ์ อิทธิพลของ Apennines ไม่ได้นำไปสู่ความดึงดูด แต่นำไปสู่การผลักไสแนวดิ่ง มีคำอธิบายเดียวเท่านั้น: มีช่องว่างขนาดใหญ่ในภูเขา

ผลลัพธ์ที่น่าทึ่งได้จากการวัดความเร่งของแรงโน้มถ่วงบนมาตราส่วนของทวีปและมหาสมุทร ทวีปมีน้ำหนักมากกว่ามหาสมุทรมาก ดังนั้นจึงดูเหมือนว่าค่า g เหนือทวีปควรจะมากกว่า กว่ามหาสมุทร ในความเป็นจริง ค่าของ g ตามละติจูดเดียวกันเหนือมหาสมุทรและทวีป โดยเฉลี่ยแล้วจะเท่ากัน

อีกครั้ง มีเพียงคำอธิบายเดียว: ทวีปตั้งอยู่บนหินที่เบากว่า และมหาสมุทรอยู่บนหินที่หนักกว่า อันที่จริง เมื่อการสำรวจโดยตรงเป็นไปได้ นักธรณีวิทยาได้กำหนดว่ามหาสมุทรพักผ่อนบนหินบะซอลต์หนัก และทวีปบนหินแกรนิตสีอ่อน

แต่คำถามต่อไปนี้ก็เกิดขึ้นทันที: เหตุใดหินที่หนักและเบาจึงชดเชยความแตกต่างของน้ำหนักระหว่างทวีปและมหาสมุทรได้อย่างแม่นยำ การชดเชยดังกล่าวไม่สามารถเป็นเรื่องของโอกาสได้ สาเหตุของมันจะต้องฝังรากอยู่ในโครงสร้างของเปลือกโลก

นักธรณีวิทยาเชื่อว่าส่วนบนของเปลือกโลกดูเหมือนจะลอยอยู่บนพลาสติกที่อยู่เบื้องล่าง นั่นคือ มวลที่เปลี่ยนรูปได้ง่าย แรงดันที่ระดับความลึกประมาณ 100 กม. ควรเท่ากันทุกที่ เช่นเดียวกับแรงดันที่ก้นภาชนะที่มีน้ำ ซึ่งเศษไม้ที่มีน้ำหนักต่างกันลอยอยู่เหมือนกัน ดังนั้นเสาของสสารที่มีพื้นที่ 1 ม. 2 จากพื้นผิวถึงความลึก 100 กม. ควรมีน้ำหนักเท่ากันทั้งใต้มหาสมุทรและใต้ทวีป

การทำให้เท่าเทียมกันของแรงกดดัน (เรียกว่า isostasy) นำไปสู่ความจริงที่ว่าเหนือมหาสมุทรและทวีปตามแนวละติจูดเดียวกัน ค่าของการเร่งความเร็วของแรงโน้มถ่วง g ไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ความผิดปกติของแรงโน้มถ่วงในท้องถิ่นให้บริการการสำรวจทางธรณีวิทยา โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อค้นหาแหล่งแร่ใต้ดิน โดยไม่ต้องขุดหลุม โดยไม่ต้องขุดทุ่นระเบิด

ต้องหาแร่หนักในสถานที่ที่ g มากที่สุด ในทางตรงกันข้าม การสะสมของเกลือเบาจะถูกตรวจพบโดยค่า g ที่ประเมินไว้ต่ำเกินไป คุณสามารถวัด g เป็นล้านที่ใกล้ที่สุดของ 1 m/s 2 .

วิธีการลาดตระเวนโดยใช้ลูกตุ้มและตาชั่งที่แม่นยำเป็นพิเศษเรียกว่าแรงโน้มถ่วง มีความสำคัญในทางปฏิบัติอย่างยิ่งโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการค้นหาน้ำมัน ความจริงก็คือด้วยวิธีการสำรวจด้วยแรงโน้มถ่วง ทำให้ง่ายต่อการตรวจจับโดมเกลือใต้ดิน และบ่อยครั้งที่ปรากฎว่าที่ใดมีเกลือ ที่นั่นก็มีน้ำมันด้วย นอกจากนี้ น้ำมันยังอยู่ในส่วนลึก และเกลืออยู่ใกล้พื้นผิวโลกมากขึ้น น้ำมันถูกค้นพบโดยการสำรวจแรงโน้มถ่วงในคาซัคสถานและที่อื่นๆ

แทนที่จะดึงเกวียนด้วยสปริง สามารถเร่งความเร็วได้โดยการผูกเชือกที่พันไว้เหนือรอก จากปลายอีกด้านของที่บรรทุกของถูกแขวนไว้ จากนั้นแรงที่ให้ความเร่งจะเกิดจาก ชั่งน้ำหนักสินค้านี้. การเร่งความเร็วของการตกอย่างอิสระจะถูกส่งไปยังร่างกายอีกครั้งด้วยน้ำหนักของมัน

ในทางฟิสิกส์ น้ำหนักเป็นชื่อทางการของแรงที่เกิดจากแรงดึงดูดของวัตถุสู่พื้นผิวโลก นั่นคือ "แรงดึงดูดของแรงโน้มถ่วง" ความจริงที่ว่าวัตถุถูกดึงดูดเข้าหาศูนย์กลางของโลกทำให้คำอธิบายนี้สมเหตุสมผล

ไม่ว่าคุณจะกำหนดมันอย่างไร น้ำหนักก็คือแรง มันไม่แตกต่างจากแรงอื่นใด ยกเว้นคุณสมบัติสองประการ: น้ำหนักถูกกำกับในแนวตั้งและกระทำอย่างต่อเนื่อง ไม่สามารถขจัดออกได้

ในการวัดน้ำหนักของร่างกายโดยตรง เราต้องใช้เครื่องชั่งสปริงที่สอบเทียบในหน่วยแรง เนื่องจากสิ่งนี้มักไม่สะดวก เราจึงเปรียบเทียบตุ้มน้ำหนักตัวหนึ่งกับอีกตัวหนึ่งโดยใช้เครื่องชั่ง เช่น ค้นหาความสัมพันธ์:

แรงโน้มถ่วงของโลกกระทำต่อร่างกาย Xแรงดึงดูดของโลกที่ส่งผลต่อมาตรฐานมวล

สมมุติว่าร่างกาย X ดึงดูดแรงกว่ามาตรฐานมวลถึง 3 เท่า ในกรณีนี้ เราบอกว่าแรงโน้มถ่วงของโลกกระทำต่อวัตถุ X คือแรง 30 นิวตัน ซึ่งหมายความว่าแรงโน้มถ่วงของโลกกระทำต่อมวล 1 กิโลกรัมเป็น 3 เท่า แนวคิดเรื่องมวลและน้ำหนักมักสับสน ซึ่งมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ มวลเป็นสมบัติของร่างกาย (เป็นการวัดความเฉื่อยหรือ "ปริมาณของสสาร") ในทางกลับกัน น้ำหนักคือแรงที่ร่างกายทำกับส่วนรองรับหรือยืดช่วงล่าง (น้ำหนักจะเป็นตัวเลขเท่ากับแรงโน้มถ่วง ถ้าส่วนรองรับหรือช่วงล่างไม่มีการเร่งความเร็ว)

หากเราใช้มาตราส่วนสปริงเพื่อวัดน้ำหนักของวัตถุที่มีความแม่นยำสูงมาก จากนั้นจึงย้ายตาชั่งไปยังที่อื่น เราจะพบว่าน้ำหนักของวัตถุบนพื้นผิวโลกแตกต่างกันไปบ้างในแต่ละสถานที่ เรารู้ว่าน้ำหนักควรน้อยกว่าพื้นผิวโลกหรือส่วนลึกของโลก

มวลเปลี่ยนไปหรือไม่? นักวิทยาศาสตร์ได้ไตร่ตรองถึงประเด็นนี้มานานแล้วได้ข้อสรุปว่ามวลควรไม่เปลี่ยนแปลง แม้แต่จุดศูนย์กลางของโลกที่ซึ่งแรงโน้มถ่วงกระทำไปทุกทิศทุกทาง จะสร้างแรงสุทธิเป็นศูนย์ ร่างกายก็ยังมีมวลเท่าเดิม

ดังนั้น มวลที่วัดจากความยากที่เราพบในการพยายามเร่งการเคลื่อนที่ของเกวียนขนาดเล็ก จึงเหมือนกันทุกที่: บนพื้นผิวโลก ในใจกลางโลก บนดวงจันทร์ น้ำหนักโดยประมาณจากการยืดสปริงบาลานซ์ (และความรู้สึก

ในกล้ามเนื้อของมือของบุคคลที่ถือเครื่องชั่ง) จะน้อยกว่ามากบนดวงจันทร์และเกือบจะเป็นศูนย์ที่ศูนย์กลางของโลก (รูปที่ 7)

แรงโน้มถ่วงของโลกกระทำต่อมวลต่างกันมากเพียงใด? จะเปรียบเทียบน้ำหนักของวัตถุสองชิ้นได้อย่างไร? ลองใช้ตะกั่วที่เหมือนกันสองชิ้นกัน อย่างละ 1 กก. โลกดึงดูดพวกมันแต่ละตัวด้วยแรงเท่ากัน เท่ากับน้ำหนัก 10 นิวตัน หากคุณรวมทั้งสองชิ้นที่มีน้ำหนัก 2 กก. แรงในแนวตั้งก็รวมกันได้: โลกดึงดูด 2 กก. สองเท่าของ 1 กก. เราจะได้แรงดึงดูดสองเท่าเท่ากันทุกประการ ถ้าเรารวมทั้งสองชิ้นเป็นชิ้นเดียวหรือวางชิ้นหนึ่งทับอีกชิ้นหนึ่ง แรงดึงโน้มถ่วงของวัสดุที่เป็นเนื้อเดียวกันเพียงแค่เพิ่มขึ้น และไม่มีการดูดซับหรือการป้องกันของสสารชิ้นหนึ่งโดยอีกชิ้นหนึ่ง

สำหรับวัสดุที่เป็นเนื้อเดียวกัน น้ำหนักจะเป็นสัดส่วนกับมวล ดังนั้นเราจึงเชื่อว่าโลกเป็นแหล่งกำเนิดของ "สนามแรงโน้มถ่วง" ที่เล็ดลอดออกมาจากจุดศูนย์กลางในแนวตั้งและสามารถดึงดูดสสารใดๆ ก็ตาม สนามแรงโน้มถ่วงทำหน้าที่เช่นเดียวกันกับตะกั่วทุกกิโลกรัม แล้วแรงดึงดูดที่กระทำต่อมวลเดียวกันของวัสดุต่างกัน เช่น ตะกั่ว 1 กก. และอะลูมิเนียม 1 กก. ล่ะ? ความหมายของคำถามนี้ขึ้นอยู่กับความหมายของมวลที่เท่ากัน วิธีที่ง่ายที่สุดในการเปรียบเทียบมวลซึ่งใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และในเชิงพาณิชย์คือการใช้เครื่องชั่ง พวกเขาเปรียบเทียบแรงที่ดึงทั้งสองโหลด แต่เมื่อให้มวลเท่ากัน เช่น ตะกั่วและอะลูมิเนียม เราสามารถสรุปได้ว่าน้ำหนักเท่ากันมีมวลเท่ากัน แต่ที่จริงแล้ว เรากำลังพูดถึงมวลสองประเภทที่ต่างกันโดยสิ้นเชิง นั่นคือมวลเฉื่อยและมวลโน้มถ่วง

ปริมาณในสูตร แสดงถึงมวลเฉื่อย ในการทดลองกับรถเข็นซึ่งถูกเร่งด้วยสปริง ค่าทำหน้าที่เป็นคุณลักษณะของ "ความหนักของสาร" ที่แสดงให้เห็นว่าการเร่งความเร็วให้กับร่างกายภายใต้การพิจารณานั้นยากเพียงใด ลักษณะเชิงปริมาณคืออัตราส่วน มวลนี้เป็นหน่วยวัดความเฉื่อย แนวโน้มของระบบกลไกที่จะต้านทานการเปลี่ยนแปลงสถานะ มวลเป็นสมบัติที่จะต้องเหมือนกันใกล้พื้นผิวโลกและบนดวงจันทร์และในห้วงอวกาศและในใจกลางโลก อะไรคือความสัมพันธ์กับแรงโน้มถ่วงและเกิดอะไรขึ้นเมื่อชั่งน้ำหนัก?

ค่อนข้างเป็นอิสระจากมวลเฉื่อย เราสามารถแนะนำแนวคิดเรื่องมวลโน้มถ่วงเป็นปริมาณของสสารที่โลกดึงดูด

เราเชื่อว่าสนามโน้มถ่วงของโลกจะเหมือนกันสำหรับวัตถุทั้งหมดที่อยู่ในนั้น แต่เราเชื่อว่ามีหลากหลาย

metam มวลที่แตกต่างกันซึ่งเป็นสัดส่วนกับแรงดึงดูดของวัตถุเหล่านี้โดยสนาม นี่คือมวลโน้มถ่วง เราบอกว่าวัตถุต่างกันมีน้ำหนักต่างกัน เพราะมีมวลความโน้มถ่วงต่างกันที่สนามโน้มถ่วงดึงดูด ดังนั้น ตามคำนิยาม มวลโน้มถ่วงเป็นสัดส่วนกับน้ำหนักและแรงโน้มถ่วง มวลความโน้มถ่วงกำหนดด้วยแรงที่ร่างกายดึงดูดโดยโลก ในเวลาเดียวกัน แรงโน้มถ่วงเป็นสิ่งที่เหมือนกัน: ถ้าโลกดึงดูดหิน หินก็จะดึงดูดโลกด้วย ซึ่งหมายความว่ามวลความโน้มถ่วงของร่างกายยังกำหนดว่าโลกดึงดูดวัตถุอื่นได้มากเพียงใด ดังนั้น มวลความโน้มถ่วงจะวัดปริมาณของสสารที่แรงโน้มถ่วงของโลกกระทำ หรือปริมาณของสสารที่ทำให้เกิดแรงดึงดูดระหว่างวัตถุ

แรงดึงดูดของแรงดึงดูดกระทำกับตะกั่วที่เหมือนกันสองชิ้นสองเท่าของชิ้นเดียว มวลความโน้มถ่วงของชิ้นส่วนตะกั่วจะต้องเป็นสัดส่วนกับมวลเฉื่อย เนื่องจากมวลของทั้งสองเป็นสัดส่วนอย่างเห็นได้ชัดกับจำนวนอะตอมของตะกั่ว เช่นเดียวกับชิ้นส่วนของวัสดุอื่น ๆ เช่นขี้ผึ้ง แต่ตะกั่วชิ้นหนึ่งเปรียบเทียบกับชิ้นส่วนของขี้ผึ้งได้อย่างไร คำตอบสำหรับคำถามนี้มาจากการทดลองเชิงสัญลักษณ์ในการศึกษาการล้มของร่างกายขนาดต่างๆ จากยอดของหอเอนเมืองปิซาที่มีความลาดเอียง ซึ่งกาลิเลโอเป็นผู้ดำเนินการตามตำนาน วางวัสดุขนาดใดก็ได้สองชิ้น พวกมันตกด้วยความเร่งเท่ากัน g. แรงที่กระทำต่อวัตถุและทำให้เกิดความเร่ง6 คือแรงดึงดูดของโลกที่กระทำต่อวัตถุนี้ แรงดึงดูดของวัตถุโดยโลกเป็นสัดส่วนกับมวลโน้มถ่วง แต่แรงโน้มถ่วงให้ความเร่งเท่ากัน g แก่ร่างกายทั้งหมด ดังนั้นแรงโน้มถ่วงเช่นเดียวกับน้ำหนักจะต้องเป็นสัดส่วนกับมวลเฉื่อย ดังนั้นร่างกายของรูปร่างใด ๆ ก็มีสัดส่วนเท่ากันของมวลทั้งสอง

ถ้าเราเอา 1 กิโลกรัมเป็นหน่วยของมวลทั้งสองมวล มวลความโน้มถ่วงและมวลเฉื่อยจะเท่ากันสำหรับวัตถุทุกขนาดไม่ว่าจากวัสดุใดๆ และจากที่ใดก็ตาม

นี่เป็นวิธีที่พิสูจน์แล้ว ให้เราเปรียบเทียบมาตรฐานกิโลกรัมที่ทำจากแพลตตินั่ม6 กับหินที่ไม่ทราบมวล ลองเปรียบเทียบมวลเฉื่อยโดยการเคลื่อนที่ของวัตถุแต่ละชิ้นในทิศทางแนวนอนภายใต้การกระทำของแรงบางอย่างและวัดความเร่ง สมมติว่ามวลของหินเท่ากับ 5.31 กก. แรงโน้มถ่วงของโลกไม่เกี่ยวข้องกับการเปรียบเทียบนี้ จากนั้นเราเปรียบเทียบมวลโน้มถ่วงของวัตถุทั้งสองโดยการวัดแรงดึงดูดระหว่างวัตถุแต่ละชิ้นกับวัตถุที่สาม ซึ่งส่วนใหญ่เป็นเพียงแค่โลก สามารถทำได้โดยการชั่งน้ำหนักร่างกายทั้งสอง เราจะเห็นว่า มวลความโน้มถ่วงของหินก็เท่ากับ 5.31 กิโลกรัม.

กว่าครึ่งศตวรรษก่อนที่นิวตันจะเสนอกฎความโน้มถ่วงสากล โยฮันเนส เคปเลอร์ (1571-1630) ค้นพบว่า “การเคลื่อนที่ที่ซับซ้อนของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะสามารถอธิบายได้ด้วยกฎง่ายๆ สามข้อ กฎของเคปเลอร์เสริมศรัทธาในสมมติฐานของโคเปอร์นิกันที่ว่าดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เช่นกัน

เพื่อยืนยันในตอนต้นของศตวรรษที่ 17 ว่าดาวเคราะห์อยู่รอบดวงอาทิตย์และไม่ได้อยู่รอบโลกนั้นเป็นบาปที่ยิ่งใหญ่ที่สุด จอร์ดาโน บรูโน ผู้ซึ่งปกป้องระบบโคเปอร์นิกันอย่างเปิดเผย ถูกคณะสืบสวนศักดิ์สิทธิ์ประณามว่าเป็นพวกนอกรีตและถูกเผาบนเสา แม้แต่กัลลิเลโอผู้ยิ่งใหญ่ แม้จะสนิทสนมกับสมเด็จพระสันตะปาปาก็ยังถูกคุมขัง ประณามจากการสอบสวน และถูกบังคับให้ละทิ้งความคิดเห็นของเขาต่อสาธารณชน

ในสมัยนั้น คำสอนของอริสโตเติลและปโตเลมีถือว่าศักดิ์สิทธิ์และขัดขืนไม่ได้ โดยบอกว่าวงโคจรของดาวเคราะห์เกิดขึ้นจากการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนตามระบบวงกลม ในการอธิบายวงโคจรของดาวอังคาร จำเป็นต้องมีวงกลมหลายสิบวงหรือมากกว่านั้นที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างๆ โยฮันเนส เคปเลอร์ตั้งภารกิจ "พิสูจน์" ว่าดาวอังคารและโลกต้องโคจรรอบดวงอาทิตย์ เขาพยายามหาวงโคจรของรูปทรงเรขาคณิตที่ง่ายที่สุด ซึ่งจะตรงกับการวัดตำแหน่งของดาวเคราะห์จำนวนมาก หลายปีของการคำนวณที่น่าเบื่อผ่านไปก่อนที่เคปเลอร์จะสามารถกำหนดกฎง่ายๆ สามข้อที่อธิบายการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ทุกดวงได้อย่างแม่นยำมาก:

กฎหมายที่หนึ่ง:ดาวเคราะห์แต่ละดวงเคลื่อนที่เป็นวงรี

หนึ่งในจุดเน้นคือ

กฎหมายที่สอง:เวกเตอร์รัศมี (เส้นเชื่อมดวงอาทิตย์

และดาวเคราะห์) อธิบายในช่วงเวลาเท่ากัน

พื้นที่เท่ากับเวลา

กฎหมายที่สาม:สี่เหลี่ยมของช่วงเวลาของดาวเคราะห์

ได้สัดส่วนกับลูกบาศก์ของค่าเฉลี่ย

ระยะห่างจากดวงอาทิตย์:

R 1 3 /T 1 2 = R 2 3 /T 2 2

ความสำคัญของงานของเคปเลอร์นั้นยิ่งใหญ่มาก เขาค้นพบกฎที่นิวตันเชื่อมโยงกับกฎความโน้มถ่วงสากล แน่นอนว่า Kepler เองก็ไม่รู้ว่าการค้นพบของเขาจะนำไปสู่อะไร "เขายุ่งอยู่กับคำใบ้ที่น่าเบื่อของกฎเชิงประจักษ์ ซึ่งในอนาคตนิวตันควรจะนำไปสู่รูปแบบที่มีเหตุผล" เคปเลอร์ไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมการมีอยู่ของวงโคจรวงรี แต่ชื่นชมความจริงที่ว่าพวกมันมีอยู่

ตามกฎข้อที่สามของเคปเลอร์ นิวตันสรุปว่าแรงดึงดูดต้องลดลงตามระยะทางที่เพิ่มขึ้น และความดึงดูดนั้นต้องเปลี่ยนเป็น (ระยะทาง) -2 เมื่อค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากล นิวตันได้ถ่ายทอดแนวคิดง่ายๆ เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์ไปยังระบบดาวเคราะห์ทั้งดวง เขาแสดงให้เห็นว่าแรงดึงดูดตามกฎที่เขาได้รับนั้นเป็นตัวกำหนดการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ในวงโคจรวงรี และดวงอาทิตย์ควรอยู่ในจุดโฟกัสจุดโฟกัสหนึ่งของวงรี เขาสามารถหากฎอีกสองข้อของเคปเลอร์ได้อย่างง่ายดาย ซึ่งเป็นไปตามสมมติฐานเรื่องความโน้มถ่วงสากลของเขาด้วย กฎหมายเหล่านี้มีผลบังคับใช้หากคำนึงถึงแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์เท่านั้น แต่เราต้องคำนึงถึงผลกระทบของดาวเคราะห์ดวงอื่นบนดาวเคราะห์ที่กำลังเคลื่อนที่ด้วย แม้ว่าแรงดึงดูดเหล่านี้ในระบบสุริยะจะมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์

กฎข้อที่สองของเคปเลอร์เกิดขึ้นจากการพึ่งพาแรงดึงดูดตามระยะทางโดยพลการ หากแรงนี้กระทำในแนวเส้นตรงที่เชื่อมระหว่างศูนย์กลางของดาวเคราะห์กับดวงอาทิตย์ แต่กฎข้อที่หนึ่งและสามของเคปเลอร์พอใจกับกฎของสัดส่วนผกผันของแรงดึงดูดต่อกำลังสองของระยะทางเท่านั้น

เพื่อให้ได้กฎข้อที่สามของเคปเลอร์ นิวตันเพียงแค่รวมกฎการเคลื่อนที่กับกฎความโน้มถ่วงสากล ในกรณีของวงโคจรเป็นวงกลม เราสามารถโต้แย้งได้ดังนี้: ให้ดาวเคราะห์ที่มีมวลเท่ากับ m เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว v ตามวงกลมรัศมี R รอบดวงอาทิตย์ซึ่งมีมวลเท่ากับ M การเคลื่อนที่นี้สามารถดำเนินการได้ เฉพาะในกรณีที่แรงภายนอกกระทำบนดาวเคราะห์ F = mv 2 /R ซึ่งสร้างความเร่งสู่ศูนย์กลาง v 2 /R สมมุติว่าแรงดึงดูดระหว่างดวงอาทิตย์กับโลกสร้างแรงที่จำเป็น แล้ว:

GMm/r 2 = mv 2 /R

และระยะทาง r ระหว่าง m และ M เท่ากับรัศมีของวงโคจร R แต่ความเร็ว

โดยที่ T คือเวลาที่โลกต้องใช้ในการปฏิวัติหนึ่งครั้ง แล้ว

เพื่อให้ได้กฎข้อที่สามของเคปเลอร์ คุณต้องย้าย R และ T ทั้งหมดไปอยู่ด้านหนึ่งของสมการ และปริมาณอื่นๆ ทั้งหมดไปอีกด้านหนึ่ง:

R 3 /T 2 \u003d GM / 4 2

หากตอนนี้เราผ่านไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่นที่มีรัศมีการโคจรและระยะเวลาของการปฏิวัติต่างกัน อัตราส่วนใหม่จะเท่ากับ GM/4 2 อีกครั้ง ค่านี้จะเหมือนกันสำหรับดาวเคราะห์ทุกดวง เนื่องจาก G เป็นค่าคงที่สากล และมวล M จะเท่ากันสำหรับดาวเคราะห์ทุกดวงที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ ดังนั้น ค่าของ R 3 /T 2 จะเท่ากันสำหรับดาวเคราะห์ทุกดวงตามกฎข้อที่สามของเคปเลอร์ การคำนวณนี้ช่วยให้คุณได้กฎข้อที่สามสำหรับวงโคจรวงรี แต่ในกรณีนี้ R คือค่าเฉลี่ยระหว่างระยะห่างที่ใหญ่ที่สุดและเล็กที่สุดของดาวเคราะห์จากดวงอาทิตย์

ด้วยวิธีการทางคณิตศาสตร์ที่ทรงพลังและได้รับการชี้นำโดยสัญชาตญาณอันยอดเยี่ยม นิวตันจึงนำทฤษฎีของเขาไปใช้กับปัญหาจำนวนมากที่รวมอยู่ในปัญหาของเขา หลักการเกี่ยวกับลักษณะของดวงจันทร์ โลก ดาวเคราะห์ดวงอื่นและการเคลื่อนที่ของพวกมัน ตลอดจนวัตถุท้องฟ้าอื่นๆ ได้แก่ ดาวเทียม ดาวหาง

ดวงจันทร์ประสบความปั่นป่วนมากมายที่เบี่ยงเบนไปจากการเคลื่อนที่เป็นวงกลมสม่ำเสมอ ประการแรก มันเคลื่อนไปตามวงรี Keplerian ซึ่งจุดโฟกัสจุดใดจุดหนึ่งคือโลก เช่นเดียวกับดาวเทียมอื่นๆ แต่วงโคจรนี้มีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเนื่องจากแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์ ที่ดวงจันทร์ใหม่ ดวงจันทร์อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากกว่าพระจันทร์เต็มดวง ซึ่งจะปรากฏขึ้นในอีกสองสัปดาห์ต่อมา ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแรงดึงดูดซึ่งนำไปสู่การชะลอตัวและเร่งการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์ในช่วงเดือน ผลกระทบนี้จะเพิ่มขึ้นเมื่อดวงอาทิตย์อยู่ใกล้ในฤดูหนาว ดังนั้นจึงสังเกตความผันแปรของความเร็วของดวงจันทร์ในแต่ละปีได้เช่นกัน นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงของแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์ยังเปลี่ยนรูปวงรีของวงโคจรของดวงจันทร์ด้วย วงโคจรของดวงจันทร์เบี่ยงเบนขึ้นและลง ระนาบของวงโคจรจะหมุนช้าๆ ดังนั้น นิวตันจึงแสดงให้เห็นว่าความผิดปกติที่สังเกตได้จากการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์นั้นเกิดจากความโน้มถ่วงสากล เขาไม่ได้พัฒนาปัญหาของแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์ในทุกรายละเอียด การเคลื่อนไหวของดวงจันทร์ยังคงเป็นปัญหาที่ซับซ้อน ซึ่งกำลังพัฒนาด้วยรายละเอียดที่เพิ่มขึ้นมาจนถึงทุกวันนี้

กระแสน้ำในมหาสมุทรยังคงเป็นปริศนามาช้านาน ซึ่งดูเหมือนว่าจะอธิบายได้ด้วยการสร้างความเชื่อมโยงกับการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์ อย่างไรก็ตาม ผู้คนเชื่อว่าความเชื่อมโยงดังกล่าวไม่มีอยู่จริง และแม้แต่กาลิเลโอก็ยังเยาะเย้ยแนวคิดนี้ นิวตันแสดงให้เห็นว่าการขึ้นและลงของกระแสน้ำเกิดจากแรงดึงดูดของน้ำในมหาสมุทรที่ไม่สม่ำเสมอจากด้านข้างของดวงจันทร์ ศูนย์กลางของวงโคจรของดวงจันทร์ไม่ตรงกับศูนย์กลางของโลก ดวงจันทร์และโลกโคจรรอบศูนย์กลางมวลร่วมกัน จุดศูนย์กลางมวลนี้อยู่ห่างจากศูนย์กลางโลกประมาณ 4800 กม. ห่างจากพื้นผิวโลกเพียง 1600 กม. เมื่อโลกดึงดวงจันทร์ ดวงจันทร์ดึงโลกด้วยแรงที่เท่ากันและตรงกันข้าม อันเนื่องมาจากแรง Mv 2 /r เกิดขึ้น ทำให้โลกเคลื่อนที่รอบจุดศูนย์กลางมวลร่วมด้วยคาบเท่ากับหนึ่งเดือน . ส่วนหนึ่งของมหาสมุทรที่ใกล้กับดวงจันทร์มากที่สุดนั้นถูกดึงดูดอย่างแรงกว่า (อยู่ใกล้กว่า) น้ำขึ้น - และกระแสน้ำก็เกิดขึ้น ส่วนของมหาสมุทรที่อยู่ห่างจากดวงจันทร์มากกว่าจะดึงดูดให้อ่อนแอกว่าพื้นดิน และในส่วนนี้ของมหาสมุทรก็มีโคนน้ำขึ้นเช่นกัน จึงมีน้ำขึ้นสองน้ำใน 24 ชั่วโมง ดวงอาทิตย์ยังทำให้เกิดกระแสน้ำแม้ว่าจะไม่รุนแรงนัก เนื่องจากระยะห่างจากดวงอาทิตย์มากจะทำให้แรงดึงดูดที่ไม่สม่ำเสมอออกไป

นิวตันเปิดเผยธรรมชาติของดาวหาง - แขกเหล่านี้ของระบบสุริยะซึ่งกระตุ้นความสนใจและแม้แต่เรื่องสยองขวัญที่ศักดิ์สิทธิ์มาโดยตลอด นิวตันแสดงให้เห็นว่าดาวหางเคลื่อนที่ในวงโคจรวงรีที่ยาวมาก โดยที่ดวงอาทิตย์อยู่ที่จุดโฟกัสของน้ำ การเคลื่อนที่ของพวกมันถูกกำหนดโดยแรงโน้มถ่วง เช่นเดียวกับการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ แต่พวกมันมีขนาดเล็กมาก ดังนั้นพวกมันจึงสามารถมองเห็นได้เมื่อเข้าใกล้ดวงอาทิตย์เท่านั้น สามารถวัดวงโคจรวงรีของดาวหางได้ และสามารถคาดการณ์เวลาที่จะกลับมายังภูมิภาคของเราได้อย่างแม่นยำ การกลับมาตามปกติของพวกมัน ณ วันที่คาดการณ์ช่วยให้เราสามารถตรวจสอบการสังเกตของเราและให้การยืนยันอีกครั้งเกี่ยวกับกฎความโน้มถ่วงสากล

ในบางกรณี ดาวหางประสบการรบกวนจากแรงโน้มถ่วงอย่างแรง โดยเคลื่อนเข้าใกล้ดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ และเคลื่อนไปยังวงโคจรใหม่ในช่วงเวลาที่ต่างกัน นั่นคือเหตุผลที่เรารู้ว่าดาวหางมีมวลน้อย: ดาวเคราะห์ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของพวกมัน และดาวหางไม่ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ แม้ว่าพวกมันจะกระทำกับพวกมันด้วยแรงที่เท่ากัน

ดาวหางเคลื่อนที่เร็วมากและมาน้อยมากจนแม้แต่ทุกวันนี้นักวิทยาศาสตร์ก็ยังรอเวลาที่วิธีการสมัยใหม่สามารถนำมาใช้ในการศึกษาดาวหางขนาดใหญ่ได้

หากคุณคิดว่าแรงโน้มถ่วงมีบทบาทอย่างไรในชีวิตของโลกของเรา มหาสมุทรแห่งปรากฏการณ์ทั้งหมดก็เปิดออก และแม้แต่มหาสมุทรในความหมายที่แท้จริงของคำนั้นก็คือ มหาสมุทรของน้ำ มหาสมุทรในอากาศ หากไม่มีแรงโน้มถ่วง พวกมันก็ไม่มีอยู่จริง

แรงโน้มถ่วงหรือที่เรียกว่าแรงดึงดูดหรือความโน้มถ่วงเป็นสมบัติสากลของสสารที่วัตถุและร่างกายทั้งหมดในจักรวาลครอบครอง สาระสำคัญของแรงโน้มถ่วงคือวัตถุทั้งหมดดึงดูดวัตถุอื่นทั้งหมดที่อยู่รอบตัว

แรงโน้มถ่วง

หากแรงโน้มถ่วงเป็นแนวคิดทั่วไปและคุณภาพที่วัตถุทั้งหมดในจักรวาลมีอยู่ แรงดึงดูดของโลกก็เป็นกรณีพิเศษของปรากฏการณ์ที่ครอบคลุมทั้งหมดนี้ โลกดึงดูดวัตถุทั้งหมดที่อยู่บนมันมาสู่ตัวมันเอง ด้วยเหตุนี้ ผู้คนและสัตว์จึงสามารถเคลื่อนที่ไปรอบโลกได้อย่างปลอดภัย แม่น้ำ ทะเล และมหาสมุทรสามารถอยู่ภายในชายฝั่งของมันได้ และอากาศไม่สามารถบินผ่านพื้นที่อันกว้างใหญ่ของจักรวาลได้ แต่จะก่อตัวเป็นชั้นบรรยากาศของโลกของเรา

คำถามที่ยุติธรรมเกิดขึ้น: ถ้าวัตถุทั้งหมดมีแรงโน้มถ่วง เหตุใดโลกจึงดึงดูดผู้คนและสัตว์มาสู่ตัวมันเอง และไม่ในทางกลับกัน ประการแรก เรายังดึงดูดโลกมาที่ตัวเราเองด้วย เมื่อเทียบกับแรงดึงดูดของโลก แรงโน้มถ่วงของเรานั้นน้อยมาก ประการที่สอง แรงโน้มถ่วงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลของร่างกาย ยิ่งมวลของร่างกายมีขนาดเล็กเท่าใด แรงโน้มถ่วงของมันก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น

ตัวบ่งชี้ที่สองที่แรงดึงดูดขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างวัตถุ ยิ่งระยะห่างมาก ผลกระทบของแรงโน้มถ่วงก็จะยิ่งน้อยลง ด้วยเหตุนี้ ดาวเคราะห์จึงเคลื่อนที่ในวงโคจรและไม่ตกกระทบกัน

เป็นที่น่าสังเกตว่า โลก ดวงจันทร์ ดวงอาทิตย์ และดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ มีรูปร่างเป็นทรงกลมตามแรงโน้มถ่วง มันทำหน้าที่ในทิศทางของศูนย์กลางดึงสารที่ประกอบเป็น "ร่างกาย" ของดาวเคราะห์เข้าหามัน

สนามโน้มถ่วงของโลก

สนามโน้มถ่วงของโลกเป็นสนามพลังงานแรงที่เกิดขึ้นรอบโลกของเราเนื่องจากการกระทำของสองกองกำลัง:

• แรงโน้มถ่วง;
• แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางซึ่งเป็นผลมาจากการหมุนของโลกรอบแกนของมัน (การหมุนรายวัน)

เนื่องจากทั้งแรงโน้มถ่วงและแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กระทำการอย่างต่อเนื่อง สนามโน้มถ่วงจึงเป็นปรากฏการณ์ที่คงที่เช่นกัน

แรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และเทห์ฟากฟ้าอื่นๆ รวมทั้งมวลบรรยากาศของโลก มีผลเพียงเล็กน้อยต่อสนาม

กฎแรงดึงดูดและเซอร์ไอแซก นิวตัน

นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เซอร์ ไอแซก นิวตัน ตามตำนานที่โด่งดัง ครั้งหนึ่งเคยเดินอยู่ในสวนในตอนกลางวัน ได้เห็นดวงจันทร์บนท้องฟ้า ในเวลาเดียวกัน แอปเปิ้ลก็ตกลงมาจากกิ่ง นิวตันกำลังศึกษากฎการเคลื่อนที่และรู้ว่าแอปเปิลตกอยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามโน้มถ่วง และดวงจันทร์โคจรรอบโลก

แล้วความคิดก็เข้ามาในหัวของนักวิทยาศาสตร์ที่เก่งกาจ สว่างไสวด้วยความเข้าใจ ว่าบางทีแอปเปิ้ลอาจตกลงสู่พื้นโลก เชื่อฟังพลังเดียวกันนี้เนื่องจากดวงจันทร์อยู่ในวงโคจรของมัน และไม่รีบร้อนไปทั่วดาราจักรอย่างสุ่ม นี่คือวิธีค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากลหรือที่เรียกว่ากฎข้อที่สามของนิวตัน

ในภาษาของสูตรทางคณิตศาสตร์ กฎนี้มีลักษณะดังนี้:

F=Gmm/D2 ,

ที่ไหน F- แรงโน้มถ่วงร่วมกันระหว่างสองร่าง

เอ็ม- มวลของร่างแรก

ม- มวลของร่างที่สอง

D2- ระยะห่างระหว่างสองร่าง

G- ค่าคงที่โน้มถ่วง เท่ากับ 6.67x10 -11

แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่ทรงพลังที่สุดในจักรวาล ซึ่งเป็นหนึ่งในสี่รากฐานพื้นฐานของจักรวาล ซึ่งเป็นตัวกำหนดโครงสร้างของมัน ครั้งหนึ่งต้องขอบคุณเธอ ดาวเคราะห์ ดวงดาว และดาราจักรทั้งหมดก็เกิดขึ้น วันนี้มันทำให้โลกอยู่ในวงโคจรในการเดินทางรอบดวงอาทิตย์ที่ไม่มีวันสิ้นสุด

แรงดึงดูดมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อชีวิตประจำวันของบุคคล ด้วยพลังที่มองไม่เห็นนี้ มหาสมุทรของโลกเราเต้นเป็นจังหวะ แม่น้ำไหล เม็ดฝนตกลงมาที่พื้น ตั้งแต่วัยเด็กเรารู้สึกถึงน้ำหนักของร่างกายและวัตถุรอบข้าง อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงที่มีต่อกิจกรรมทางเศรษฐกิจของเราก็มีมหาศาลเช่นกัน

ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงข้อแรกสร้างขึ้นโดยไอแซก นิวตัน เมื่อปลายศตวรรษที่ 17 กฎความโน้มถ่วงสากลของเขาอธิบายปฏิสัมพันธ์นี้ภายในกรอบของกลศาสตร์คลาสสิก ปรากฏการณ์นี้ได้รับการอธิบายอย่างกว้างขวางมากขึ้นโดยไอน์สไตน์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา ซึ่งตีพิมพ์เมื่อต้นศตวรรษที่ผ่านมา กระบวนการที่เกิดขึ้นกับแรงโน้มถ่วงที่ระดับอนุภาคมูลฐานควรอธิบายโดยทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของควอนตัม แต่ยังไม่ได้สร้างขึ้น

วันนี้เรารู้เกี่ยวกับธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงมากกว่าในสมัยของนิวตัน แต่ถึงแม้จะศึกษามาหลายศตวรรษ แต่ก็ยังเป็นอุปสรรคในฟิสิกส์สมัยใหม่ มีจุดสีขาวจำนวนมากในทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่มีอยู่ และเรายังคงไม่เข้าใจแน่ชัดว่าเกิดจากอะไร และปฏิสัมพันธ์นี้ถูกถ่ายโอนอย่างไร และแน่นอน เรายังห่างไกลจากความสามารถในการควบคุมแรงโน้มถ่วง ดังนั้นการต้านแรงโน้มถ่วงหรือการลอยตัวจะมีอยู่ในหน้านิยายวิทยาศาสตร์เท่านั้นเป็นเวลานาน

อะไรที่ตกลงมาบนหัวของนิวตัน?

ผู้คนต่างนึกถึงธรรมชาติของแรงที่ดึงดูดวัตถุมายังโลกตลอดเวลา แต่มีเพียงในศตวรรษที่ 17 เท่านั้นที่ไอแซก นิวตันสามารถปกปิดความลับได้ พื้นฐานสำหรับการพัฒนาของเขาคือผลงานของเคปเลอร์และกาลิเลโอ นักวิทยาศาสตร์ที่เก่งกาจที่ศึกษาการเคลื่อนไหวของเทห์ฟากฟ้า

หนึ่งศตวรรษครึ่งก่อนกฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน นักดาราศาสตร์ชาวโปแลนด์ Copernicus เชื่อว่าแรงดึงดูดคือ "... ไม่มีอะไรมากไปกว่าความปรารถนาตามธรรมชาติที่บิดาของจักรวาลมอบให้กับอนุภาคทั้งหมด กล่าวคือ เพื่อรวมเป็นหนึ่งเดียวทั้งหมด เกิดเป็นทรงกลม” ในทางกลับกัน Descartes ถือว่าแรงดึงดูดเป็นผลมาจากการก่อกวนในโลกอีเธอร์ นักปรัชญาและนักวิทยาศาสตร์ชาวกรีก อริสโตเติลมั่นใจว่ามวลส่งผลต่อความเร็วของวัตถุที่ตกลงมา และมีเพียงกาลิเลโอ กาลิเลอีเมื่อปลายศตวรรษที่ 16 เท่านั้นที่พิสูจน์ได้ว่าสิ่งนี้ไม่เป็นความจริง: หากไม่มีแรงต้านของอากาศ วัตถุทั้งหมดจะเร่งความเร็วเท่ากัน

ตรงกันข้ามกับตำนานยอดนิยมเกี่ยวกับหัวและแอปเปิล นิวตันได้เข้าใจธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงมากว่ายี่สิบปี กฎแรงโน้มถ่วงของเขาเป็นหนึ่งในการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่สุดตลอดกาล เป็นสากลและช่วยให้คุณสามารถคำนวณวิถีของเทห์ฟากฟ้าและอธิบายพฤติกรรมของวัตถุรอบตัวเราได้อย่างแม่นยำ ทฤษฎีความโน้มถ่วงแบบคลาสสิกวางรากฐานของกลศาสตร์ท้องฟ้า กฎสามข้อของนิวตันทำให้นักวิทยาศาสตร์มีโอกาสค้นพบดาวเคราะห์ดวงใหม่อย่างแท้จริง "ที่ปลายปากกา" ในท้ายที่สุด ต้องขอบคุณพวกมันที่ทำให้คนสามารถเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลกและบินไปในอวกาศได้ พวกเขาสรุปพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ที่เข้มงวดสำหรับแนวคิดทางปรัชญาของเอกภาพทางวัตถุของจักรวาลซึ่งปรากฏการณ์ทางธรรมชาติทั้งหมดเชื่อมโยงถึงกันและควบคุมโดยกฎทางกายภาพทั่วไป

นิวตันไม่เพียงแต่เผยแพร่สูตรที่ให้คุณคำนวณว่าแรงที่ดึงดูดร่างกายเข้าหากันคืออะไร เขาได้สร้างแบบจำลององค์รวม ซึ่งรวมถึงการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ด้วย ข้อสรุปเชิงทฤษฎีเหล่านี้ได้รับการยืนยันซ้ำแล้วซ้ำเล่าในทางปฏิบัติ รวมถึงด้วยความช่วยเหลือของวิธีการที่ทันสมัยที่สุด

ในทฤษฎีของนิวตัน วัตถุใดๆ ก็ตามจะสร้างสนามแรงดึงดูด ซึ่งเรียกว่าแรงโน้มถ่วง นอกจากนี้ แรงยังเป็นสัดส่วนกับมวลของวัตถุทั้งสองและเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง:

F = (G m1 m2)/r2

G คือค่าคงตัวโน้มถ่วงซึ่งเท่ากับ 6.67 × 10-11 m³ / (kg s²) Henry Cavendish เป็นคนแรกที่คำนวณในปี 1798

ในชีวิตประจำวันและสาขาวิชาที่ประยุกต์ใช้ แรงที่โลกดึงร่างกายมาถือเป็นน้ำหนัก แรงดึงดูดระหว่างวัตถุสองชิ้นในจักรวาลคือสิ่งที่แรงโน้มถ่วงอยู่ในคำพูดง่ายๆ

แรงดึงดูดเป็นจุดอ่อนที่สุดในปฏิสัมพันธ์พื้นฐานทั้งสี่ของฟิสิกส์ แต่เนื่องจากคุณลักษณะของมัน มันสามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของระบบดาวและกาแลคซี่ได้:

• แรงดึงดูดทำงานในทุกระยะ นี่คือความแตกต่างหลักระหว่างแรงโน้มถ่วงกับปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบแรงและแบบอ่อน ด้วยระยะทางที่เพิ่มขึ้น ผลกระทบของมันจะลดลง แต่มันไม่เคยเท่ากับศูนย์ ดังนั้นเราสามารถพูดได้ว่าแม้แต่อะตอมสองอะตอมที่ตั้งอยู่ ณ ปลายดาราจักรที่ต่างกันก็ใช้อิทธิพลร่วมกัน มันเล็กมาก
• แรงโน้มถ่วงเป็นสากล สนามดึงดูดมีอยู่ในตัววัตถุใดๆ นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้ค้นพบวัตถุบนโลกของเราหรือในอวกาศที่จะไม่มีส่วนร่วมในการโต้ตอบประเภทนี้ ดังนั้นบทบาทของแรงโน้มถ่วงในชีวิตของจักรวาลจึงมีมหาศาล ในเรื่องนี้ ความโน้มถ่วงแตกต่างจากปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งมีอิทธิพลต่อกระบวนการของจักรวาลน้อยมาก เนื่องจากในธรรมชาติ ร่างกายส่วนใหญ่มีความเป็นกลางทางไฟฟ้า แรงโน้มถ่วงไม่สามารถจำกัดหรือป้องกันได้
• แรงโน้มถ่วงไม่เพียงทำหน้าที่เกี่ยวกับสสารเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อพลังงานด้วย สำหรับเขา องค์ประกอบทางเคมีของวัตถุไม่สำคัญ มีเพียงมวลเท่านั้นที่มีบทบาท

ด้วยการใช้สูตรของนิวตัน แรงดึงดูดสามารถคำนวณได้ง่าย ตัวอย่างเช่น แรงโน้มถ่วงบนดวงจันทร์น้อยกว่าบนโลกหลายเท่า เนื่องจากดาวเทียมของเรามีมวลค่อนข้างน้อย แต่ก็เพียงพอแล้วสำหรับการก่อตัวของกระแสน้ำในมหาสมุทรโลก บนโลก ความเร่งในการตกอย่างอิสระอยู่ที่ 9.81 m/s2 ยิ่งไปกว่านั้น ที่ขั้วโลกนั้นค่อนข้างใหญ่กว่าที่เส้นศูนย์สูตร

แม้จะมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาวิทยาศาสตร์ต่อไป กฎของนิวตันก็มีจุดอ่อนจำนวนหนึ่งที่หลอกหลอนนักวิจัย ไม่ชัดเจนนักว่าแรงโน้มถ่วงทำงานอย่างไรในพื้นที่ว่างอย่างแท้จริงในระยะทางกว้างใหญ่และด้วยความเร็วที่ยากจะเข้าใจ นอกจากนี้ ข้อมูลเริ่มสะสมซึ่งขัดแย้งกับกฎของนิวตันอย่างค่อยเป็นค่อยไป เช่น เส้นขนานความโน้มถ่วงหรือการกระจัดของจุดใกล้สุดขอบฟ้าของดาวพุธ เห็นได้ชัดว่าต้องปรับปรุงทฤษฎีความโน้มถ่วงสากล เกียรตินี้ตกเป็นของนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ Albert Einstein

แรงดึงดูดและสัมพัทธภาพ

การปฏิเสธที่จะพูดถึงธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ("ฉันไม่ได้ตั้งสมมติฐาน") เป็นจุดอ่อนที่ชัดเจนในแนวคิดของเขา ไม่น่าแปลกใจที่ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงมากมายเกิดขึ้นในปีต่อๆ มา

ส่วนใหญ่เป็นของที่เรียกว่าแบบจำลองอุทกพลศาสตร์ซึ่งพยายามยืนยันการเกิดขึ้นของแรงโน้มถ่วงโดยปฏิกิริยาทางกลของวัตถุกับสารตัวกลางที่มีคุณสมบัติบางอย่าง นักวิจัยเรียกมันต่างกัน: "สูญญากาศ", "อีเธอร์", "การไหลของกราวิตอน" ฯลฯ ในกรณีนี้แรงดึงดูดระหว่างร่างกายเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของสารนี้เมื่อวัตถุถูกดูดซับหรือกรอง ไหล ในความเป็นจริง ทฤษฎีดังกล่าวทั้งหมดมีข้อเสียเปรียบประการหนึ่ง นั่นคือ การทำนายการพึ่งพาแรงโน้มถ่วงในระยะทางได้อย่างแม่นยำพอสมควร ทฤษฎีเหล่านี้น่าจะนำไปสู่การลดความเร็วของวัตถุที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กับ "อีเธอร์" หรือ "การไหลของแรงโน้มถ่วง"

Einstein เข้าหาปัญหานี้จากมุมที่ต่างออกไป ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GR) ของเขา แรงโน้มถ่วงไม่ได้ถูกมองว่าเป็นปฏิสัมพันธ์ของแรง แต่เป็นสมบัติของกาลอวกาศด้วย วัตถุใด ๆ ที่มีมวลทำให้มันโค้งงอซึ่งทำให้เกิดแรงดึงดูด ในกรณีนี้ แรงโน้มถ่วงเป็นผลทางเรขาคณิต ซึ่งถือว่าอยู่ในกรอบของเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิด

พูดง่ายๆ คือ ความต่อเนื่องของกาล-อวกาศส่งผลต่อสสาร ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของสสาร และในทางกลับกันก็ส่งผลต่อพื้นที่ "บ่งชี้" ถึงวิธีการโค้งงอ

แรงดึงดูดยังทำหน้าที่ในพิภพเล็ก แต่ในระดับอนุภาคมูลฐาน อิทธิพลของพวกมันเมื่อเปรียบเทียบกับปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตนั้นเล็กน้อย นักฟิสิกส์เชื่อว่าปฏิกิริยาโน้มถ่วงไม่ได้ด้อยไปกว่าช่วงเวลาที่เหลือในช่วงแรก (10 -43 วินาที) หลังจากบิ๊กแบง

ในปัจจุบัน แนวคิดเรื่องแรงโน้มถ่วงที่เสนอในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นสมมติฐานการทำงานหลักที่ยอมรับโดยชุมชนวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่และยืนยันโดยผลการทดลองจำนวนมาก

Einstein ในงานของเขาคาดการณ์ถึงผลกระทบอันน่าทึ่งของแรงโน้มถ่วงซึ่งส่วนใหญ่ได้รับการยืนยันแล้ว ตัวอย่างเช่น ความสามารถของวัตถุขนาดใหญ่ในการโค้งงอแสงและแม้กระทั่งทำให้เวลาผ่านไปช้าลง ปรากฏการณ์หลังนี้จำเป็นต้องนำมาพิจารณาในการทำงานของระบบนำทางด้วยดาวเทียมทั่วโลก เช่น GLONASS และ GPS ไม่เช่นนั้น อีกสองสามวันจะมีข้อผิดพลาดหลายสิบกิโลเมตร

นอกจากนี้ ผลที่ตามมาจากทฤษฎีของไอน์สไตน์คือสิ่งที่เรียกว่าผลกระทบเล็กน้อยของแรงโน้มถ่วง เช่น สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและการลากของกรอบอ้างอิงเฉื่อย อาการของแรงโน้มถ่วงเหล่านี้อ่อนแอมากจนไม่สามารถตรวจพบได้เป็นเวลานาน เฉพาะในปี 2548 ต้องขอบคุณภารกิจ Gravity Probe B ที่ไม่เหมือนใครของ NASA เอฟเฟกต์ Lense-Thirring ได้รับการยืนยันแล้ว

รังสีความโน้มถ่วงหรือการค้นพบพื้นฐานที่สุดในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

คลื่นความโน้มถ่วงเป็นความผันผวนในโครงสร้างกาลอวกาศ-เรขาคณิตที่แพร่กระจายด้วยความเร็วแสง การมีอยู่ของปรากฏการณ์นี้ได้รับการทำนายโดยไอน์สไตน์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แต่เนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่อ่อนแอ ขนาดของมันจึงน้อยมาก ดังนั้นจึงไม่สามารถตรวจพบได้เป็นเวลานาน มีเพียงหลักฐานทางอ้อมเท่านั้นที่พูดถึงการมีอยู่ของรังสี

คลื่นดังกล่าวจะสร้างวัตถุใดๆ ก็ตามที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่งที่ไม่สมดุล นักวิทยาศาสตร์อธิบายว่ามันเป็น "ระลอกคลื่นของกาลอวกาศ" แหล่งกำเนิดรังสีที่ทรงพลังที่สุดคือการชนกันของดาราจักรและระบบการยุบตัวที่ประกอบด้วยวัตถุสองชิ้น ตัวอย่างทั่วไปของกรณีหลังคือการรวมตัวของหลุมดำหรือดาวนิวตรอน ในกระบวนการดังกล่าว รังสีโน้มถ่วงสามารถส่งผ่านได้มากกว่า 50% ของมวลรวมของระบบ

คลื่นความโน้มถ่วงถูกตรวจพบครั้งแรกในปี 2558 โดยหอสังเกตการณ์ LIGO สองแห่ง เกือบจะในทันที เหตุการณ์นี้ได้รับสถานะของการค้นพบครั้งใหญ่ที่สุดในวิชาฟิสิกส์ในทศวรรษที่ผ่านมา ในปี 2560 เขาได้รับรางวัลโนเบล หลังจากนั้นนักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจจับรังสีโน้มถ่วงได้หลายครั้ง

ย้อนกลับไปในยุค 70 ของศตวรรษที่ผ่านมา - นานก่อนการยืนยันการทดลอง - นักวิทยาศาสตร์เสนอให้ใช้รังสีความโน้มถ่วงสำหรับการสื่อสารทางไกล ข้อได้เปรียบที่ไม่อาจปฏิเสธได้ของมันคือความสามารถสูงในการส่งผ่านสารใดๆ โดยไม่ถูกดูดซึม แต่ในปัจจุบันนี้แทบจะเป็นไปไม่ได้เลย เนื่องจากมีความยากลำบากอย่างมากในการสร้างและรับคลื่นเหล่านี้ ใช่ และเรายังไม่มีความรู้ที่แท้จริงเพียงพอเกี่ยวกับธรรมชาติของแรงโน้มถ่วง

ทุกวันนี้ มีการติดตั้งหลายอย่างที่คล้ายกับ LIGO ในประเทศต่างๆ ทั่วโลก และกำลังสร้างการติดตั้งใหม่ มีแนวโน้มว่าเราจะได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับรังสีความโน้มถ่วงในอนาคตอันใกล้นี้

ทฤษฎีทางเลือกของแรงโน้มถ่วงสากลและสาเหตุของการก่อตัว

ในปัจจุบัน แนวคิดหลักของแรงโน้มถ่วงคือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป อาร์เรย์ข้อมูลการทดลองและการสังเกตที่มีอยู่ทั้งหมดสอดคล้องกับข้อมูลดังกล่าว ในขณะเดียวกันก็มีจุดอ่อนและประเด็นขัดแย้งจำนวนมาก ดังนั้นความพยายามที่จะสร้างแบบจำลองใหม่ที่อธิบายธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงจะไม่หยุดนิ่ง

ทฤษฎีความโน้มถ่วงสากลทั้งหมดที่พัฒนาขึ้นจนถึงขณะนี้สามารถแบ่งออกเป็นกลุ่มหลัก ๆ ได้หลายกลุ่ม:

• มาตรฐาน;
• ทางเลือก;
• ควอนตัม;
• ทฤษฎีสนามรวม

ความพยายามที่จะสร้างแนวคิดใหม่เกี่ยวกับความโน้มถ่วงสากลเกิดขึ้นตั้งแต่ช่วงต้นศตวรรษที่ 19 ผู้เขียนหลายคนรวมอยู่ในอีเธอร์หรือทฤษฎีเกี่ยวกับแสง แต่การเกิดขึ้นของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำให้งานวิจัยเหล่านี้ยุติลง หลังจากการตีพิมพ์ เป้าหมายของนักวิทยาศาสตร์เปลี่ยนไป - ตอนนี้ความพยายามของพวกเขามุ่งเป้าไปที่การปรับปรุงแบบจำลองของไอน์สไตน์ ซึ่งรวมถึงปรากฏการณ์ทางธรรมชาติใหม่ๆ เช่น การหมุนของอนุภาค การขยายตัวของจักรวาล เป็นต้น

ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 นักฟิสิกส์ได้ทดลองปฏิเสธแนวคิดทั้งหมด ยกเว้นแนวคิดที่รวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นส่วนสำคัญ ในเวลานี้ "ทฤษฎีสตริง" กลายเป็นแฟชั่นที่ดูมีความหวังมาก แต่ยังไม่พบการยืนยันการทดลองของสมมติฐานเหล่านี้ ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา วิทยาศาสตร์ได้ก้าวไปสู่จุดสูงสุดและได้รวบรวมข้อมูลเชิงประจักษ์มากมาย ทุกวันนี้ ความพยายามที่จะสร้างทฤษฎีทางเลือกของแรงโน้มถ่วงได้รับแรงบันดาลใจจากการศึกษาจักรวาลวิทยาที่เกี่ยวข้องกับแนวคิดเช่น "สสารมืด" "อัตราเงินเฟ้อ" "พลังงานมืด" เป็นหลัก

งานหลักของฟิสิกส์สมัยใหม่อย่างหนึ่งคือการรวมทิศทางพื้นฐานสองทิศทางเข้าด้วยกัน: ทฤษฎีควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป นักวิทยาศาสตร์พยายามเชื่อมโยงแรงดึงดูดกับปฏิสัมพันธ์ประเภทอื่นๆ จึงสร้าง "ทฤษฎีของทุกสิ่ง" นี่คือสิ่งที่แรงโน้มถ่วงควอนตัมทำ ซึ่งเป็นสาขาของฟิสิกส์ที่พยายามอธิบายควอนตัมของปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วง หน่อของทิศทางนี้คือทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของวง

แม้จะมีความพยายามอย่างจริงจังและยาวนาน แต่เป้าหมายนี้ยังไม่บรรลุผล และไม่ใช่ความซับซ้อนของปัญหานี้ เป็นเพียงว่าทฤษฎีควอนตัมและสัมพัทธภาพทั่วไปมีพื้นฐานอยู่บนกระบวนทัศน์ที่ต่างกันโดยสิ้นเชิง กลศาสตร์ควอนตัมเกี่ยวข้องกับระบบทางกายภาพที่ทำงานบนพื้นหลังของกาลอวกาศปกติ และในทฤษฎีสัมพัทธภาพ กาลอวกาศเองก็เป็นองค์ประกอบไดนามิกที่ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ของระบบคลาสสิกที่อยู่ในนั้น

นอกจากสมมติฐานทางวิทยาศาสตร์ของความโน้มถ่วงสากลแล้ว ยังมีทฤษฎีที่ห่างไกลจากฟิสิกส์สมัยใหม่อีกด้วย น่าเสียดายที่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา "บทประพันธ์" ดังกล่าวทำให้อินเทอร์เน็ตและร้านหนังสือล้นหลาม ผู้เขียนงานดังกล่าวบางคนมักแจ้งผู้อ่านว่าไม่มีแรงโน้มถ่วง และกฎของนิวตันและไอน์สไตน์เป็นการประดิษฐ์และการหลอกลวง

ตัวอย่างคือผลงานของ "นักวิทยาศาสตร์" นิโคไล เลวาชอฟ ซึ่งอ้างว่านิวตันไม่ได้ค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากล และมีเพียงดาวเคราะห์และดาวเทียมของเราที่ดวงจันทร์เท่านั้นที่มีแรงโน้มถ่วงในระบบสุริยะ หลักฐานที่ได้รับจาก "นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย" คนนี้ค่อนข้างแปลก หนึ่งในนั้นคือการบินของยานสำรวจ NEAR Shoemaker ของอเมริกาไปยังดาวเคราะห์น้อย Eros ซึ่งเกิดขึ้นในปี 2000 Levashov ถือว่าการขาดแรงดึงดูดระหว่างโพรบกับเทห์ฟากฟ้าเป็นหลักฐานของความเท็จในผลงานของนิวตันและการสมรู้ร่วมคิดของนักฟิสิกส์ที่ซ่อนความจริงเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงจากผู้คน

อันที่จริง ยานอวกาศประสบความสำเร็จในภารกิจของมัน อย่างแรก ยานอวกาศได้เข้าสู่วงโคจรของดาวเคราะห์น้อย จากนั้นจึงลงจอดอย่างนุ่มนวลบนพื้นผิวของมัน

แรงโน้มถ่วงเทียมและมีไว้เพื่ออะไร

มีสองแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วงซึ่งถึงแม้สถานะทางทฤษฎีในปัจจุบันของพวกเขาจะเป็นที่รู้จักกันดีในหมู่ประชาชนทั่วไป สิ่งเหล่านี้เป็นการต่อต้านแรงโน้มถ่วงและแรงโน้มถ่วงเทียม

การต้านแรงโน้มถ่วงเป็นกระบวนการต่อต้านแรงดึงดูด ซึ่งสามารถลดแรงดึงดูดลงอย่างมากหรือแทนที่ด้วยแรงผลัก ความเชี่ยวชาญของเทคโนโลยีดังกล่าวจะนำไปสู่การปฏิวัติอย่างแท้จริงในด้านการขนส่ง การบิน การสำรวจอวกาศ และการเปลี่ยนแปลงทั้งชีวิตของเราอย่างสิ้นเชิง แต่ในปัจจุบัน ความเป็นไปได้ของการต้านแรงโน้มถ่วงยังไม่มีการยืนยันทางทฤษฎีด้วยซ้ำ นอกจากนี้ จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ปรากฏการณ์ดังกล่าวไม่สามารถทำได้เลย เนื่องจากจักรวาลของเราไม่มีมวลเชิงลบ เป็นไปได้ว่าในอนาคตเราจะได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงและเรียนรู้วิธีสร้างเครื่องบินตามหลักการนี้

แรงโน้มถ่วงเทียมเป็นการเปลี่ยนแปลงที่มนุษย์สร้างขึ้นในแรงโน้มถ่วงที่มีอยู่ วันนี้เราไม่ต้องการเทคโนโลยีดังกล่าวจริงๆ แต่สถานการณ์จะเปลี่ยนไปอย่างแน่นอนหลังจากการเริ่มต้นการเดินทางในอวกาศในระยะยาว และมันเกี่ยวข้องกับสรีรวิทยาของเราด้วย ร่างกายมนุษย์ "คุ้นเคย" จากการวิวัฒนาการหลายล้านปีต่อแรงโน้มถ่วงคงที่ของโลก รับรู้ผลกระทบของแรงโน้มถ่วงที่ลดลงในทางลบอย่างยิ่ง การอยู่นานแม้ในสภาวะแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ (อ่อนแอกว่าโลกถึงหกเท่า) อาจนำไปสู่ผลที่น่าเศร้า ภาพมายาของแรงดึงดูดสามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้แรงทางกายภาพอื่นๆ เช่น ความเฉื่อย อย่างไรก็ตาม ตัวเลือกเหล่านี้ซับซ้อนและมีราคาแพง ในขณะนี้ แรงโน้มถ่วงเทียมไม่ได้มีเหตุผลทางทฤษฎีด้วยซ้ำ เห็นได้ชัดว่าการนำไปใช้จริงที่เป็นไปได้นั้นเป็นเรื่องของอนาคตอันไกลโพ้น

แรงโน้มถ่วงเป็นแนวคิดที่ทุกคนรู้จักตั้งแต่สมัยเรียน ดูเหมือนว่านักวิทยาศาสตร์ควรตรวจสอบปรากฏการณ์นี้อย่างละเอียดถี่ถ้วน! แต่แรงโน้มถ่วงยังคงเป็นปริศนาที่ลึกลับที่สุดสำหรับวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ และสิ่งนี้สามารถเรียกได้ว่าเป็นตัวอย่างที่ยอดเยี่ยมว่าความรู้ของมนุษย์มีจำกัดเกี่ยวกับโลกที่กว้างใหญ่และมหัศจรรย์ของเราเพียงใด

หากคุณมีคำถามใด ๆ - ทิ้งไว้ในความคิดเห็นด้านล่างบทความ เราหรือผู้เยี่ยมชมของเรายินดีที่จะตอบคำถามเหล่านี้

เราอาศัยอยู่บนโลก เราเคลื่อนตัวไปตามพื้นผิวของมัน ราวกับว่าอยู่บนขอบหน้าผาหินที่โผล่ขึ้นมาเหนือเหวที่ไม่มีก้นเหว เราถูกขังไว้ที่ขอบเหวนี้โดยสิ่งที่มีผลกระทบต่อเราเท่านั้น แรงดึงดูดของโลก; เราไม่ได้ตกลงมาจากพื้นผิวโลกเพียงเพราะเรามีน้ำหนักบางอย่างอย่างที่พวกเขาพูด เราจะบินออกจาก "หน้าผา" นี้ทันทีและบินไปสู่ก้นบึ้งของอวกาศอย่างรวดเร็วหากแรงโน้มถ่วงของโลกของเราหยุดทำทันที เราจะรีบเร่งอย่างไม่รู้จบในห้วงอวกาศของโลก โดยไม่รู้ว่าขึ้นหรือลง

การเคลื่อนที่ของโลก

ของเขา การเคลื่อนไหวบนโลกเราก็เป็นหนี้แรงโน้มถ่วงเช่นกัน เราเดินบนพื้นโลกและเอาชนะแรงต้านของแรงนี้อย่างต่อเนื่อง รู้สึกถึงการกระทำของมัน เหมือนกับการแบกรับภาระหนักที่เท้าของเรา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง "ภาระ" นี้ทำให้ตัวเองรู้สึกได้เมื่อปีนเขา เมื่อคุณต้องลากมัน เหมือนกับตุ้มน้ำหนักหนักที่ห้อยลงมาจากเท้าของคุณ มันส่งผลกระทบอย่างมากไม่น้อยเมื่อลงจากภูเขาทำให้เราต้องเร่งฝีเท้า เอาชนะแรงโน้มถ่วงเมื่อเคลื่อนที่บนโลก ทิศทางเหล่านี้ - "ขึ้น" และ "ลง" - ระบุให้เราทราบโดยแรงโน้มถ่วงเท่านั้น ทุกจุดบนพื้นผิวโลกจะพุ่งตรงเกือบถึงศูนย์กลางของโลก ดังนั้น แนวความคิดของ "ล่าง" และ "บน" จะถูกตรงกันข้ามกับสิ่งที่เรียกว่าแอนติพอด นั่นคือ ผู้คนที่อาศัยอยู่บนส่วนตรงข้ามของเส้นทแยงมุมของพื้นผิวโลก ตัวอย่างเช่น ทิศทางที่สำหรับผู้ที่อาศัยอยู่ในมอสโกแสดง "ลง" สำหรับชาว Tierra del Fuego แสดง "ขึ้น" ทิศทางที่แสดง "ลง" สำหรับคนที่อยู่ที่เสาและที่เส้นศูนย์สูตรทำมุมฉาก พวกมันตั้งฉากกัน นอกโลกเมื่อเคลื่อนออกจากโลกแรงโน้มถ่วงจะลดลงเนื่องจากแรงดึงดูดลดลง (แรงดึงดูดของโลกเช่นเดียวกับวัตถุอื่น ๆ ของโลกขยายออกไปในอวกาศอย่างไม่มีกำหนด) และแรงเหวี่ยงเพิ่มขึ้น ซึ่งลดแรงโน้มถ่วงลง ดังนั้น ยิ่งเรายกของขึ้นสูง เช่น ในบอลลูน น้ำหนักบรรทุกนี้จะยิ่งน้อยลง

แรงเหวี่ยงของโลก

เนื่องจากการหมุนเวียนรายวัน แรงเหวี่ยงของโลก. แรงนี้กระทำทุกที่บนพื้นผิวโลกในทิศทางตั้งฉากกับแกนโลกและอยู่ห่างจากแกนโลก แรงเหวี่ยงเล็กเมื่อเทียบกับ แรงโน้มถ่วง. ที่เส้นศูนย์สูตรถึงค่าสูงสุด แต่ถึงแม้ที่นี่ ตามการคำนวณของนิวตัน แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางเป็นเพียง 1/289 ของแรงดึงดูดเท่านั้น ยิ่งห่างจากเส้นศูนย์สูตรมากเท่าไหร่ แรงเหวี่ยงหนีศูนย์ก็จะน้อยลง ที่ขั้วมากมันเป็นศูนย์.
การกระทำของแรงเหวี่ยงของโลก ในระดับหนึ่ง แรงเหวี่ยงจะเพิ่มขึ้นมากจนเท่ากับแรงดึงดูด และแรงดึงดูดจะเท่ากับศูนย์ก่อน จากนั้นเมื่อระยะห่างจากโลกเพิ่มขึ้นก็จะรับค่าลบและจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ถูกชี้นำ ในทิศทางตรงกันข้ามกับโลก

แรงโน้มถ่วง

แรงลัพธ์ของแรงดึงดูดของโลกและแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง เรียกว่า แรงโน้มถ่วง. แรงโน้มถ่วงที่ทุกจุดบนพื้นผิวโลกจะเท่ากันหากลูกบอลของเรามีความแม่นยำและสม่ำเสมอ หากมวลของมันมีความหนาแน่นเท่ากันทุกที่ และสุดท้ายหากไม่มีการหมุนรอบแกนทุกวัน แต่เนื่องจากโลกของเราไม่ใช่ลูกบอลธรรมดา จึงไม่ประกอบด้วยหินทุกส่วนที่มีความหนาแน่นเท่ากันและหมุนตลอดเวลา ดังนั้น แรงโน้มถ่วงในแต่ละจุดบนพื้นผิวโลกแตกต่างกันเล็กน้อย. ดังนั้น ทุกจุดบนพื้นผิวโลก ขนาดของแรงโน้มถ่วงขึ้นอยู่กับขนาดของแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง ซึ่งลดแรงดึงดูด ความหนาแน่นของหินดิน และระยะห่างจากศูนย์กลางของโลก. ยิ่งระยะทางนี้มากเท่าใด แรงโน้มถ่วงก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น รัศมีของโลกซึ่งอยู่ที่ปลายด้านหนึ่งซึ่งอยู่ติดกับเส้นศูนย์สูตรของโลกนั้นใหญ่ที่สุด รัศมีที่มีจุดขั้วโลกเหนือหรือขั้วโลกใต้เป็นจุดสิ้นสุดนั้นเล็กที่สุด ดังนั้นวัตถุทั้งหมดที่เส้นศูนย์สูตรจึงมีแรงโน้มถ่วงน้อยกว่า (น้ำหนักน้อยกว่า) กว่าที่เสา เป็นที่ทราบกันดีว่า แรงโน้มถ่วงที่ขั้วจะมากกว่าที่เส้นศูนย์สูตร 1/289. ความแตกต่างของแรงโน้มถ่วงของร่างกายเดียวกันที่เส้นศูนย์สูตรและที่ขั้วสามารถพบได้โดยการชั่งน้ำหนักพวกมันด้วยเครื่องชั่งสปริง หากเราชั่งน้ำหนักร่างกายด้วยตาชั่งด้วยตุ้มน้ำหนัก เราจะไม่สังเกตเห็นความแตกต่างนี้ เครื่องชั่งจะแสดงน้ำหนักเท่ากันทั้งที่เสาและที่เส้นศูนย์สูตร น้ำหนักเช่นเดียวกับร่างกายที่กำลังชั่งน้ำหนักจะเปลี่ยนน้ำหนักด้วยเช่นกัน
ตาชั่งสปริงเป็นวิธีวัดแรงโน้มถ่วงที่เส้นศูนย์สูตรและที่ขั้ว สมมุติว่าเรือบรรทุกสินค้ามีน้ำหนักในบริเวณขั้วโลกใกล้เสาประมาณ 289,000 ตัน เมื่อมาถึงท่าเรือใกล้เส้นศูนย์สูตร เรือที่มีสินค้าจะมีน้ำหนักเพียง 288,000 ตันเท่านั้น ดังนั้น ที่เส้นศูนย์สูตร เรือจึงสูญเสียน้ำหนักประมาณหนึ่งพันตัน ร่างกายทั้งหมดถูกเก็บไว้บนพื้นผิวโลกเนื่องจากแรงโน้มถ่วงกระทำต่อพวกมันเท่านั้น ในตอนเช้า การลุกจากเตียง คุณสามารถลดเท้าลงกับพื้นได้เพียงเพราะแรงนี้ดึงพวกเขาลง

แรงโน้มถ่วงภายในโลก

มาดูกันว่าจะเปลี่ยนไปขนาดไหน แรงโน้มถ่วงภายในโลก. เมื่อเราเข้าไปลึกลงไปในโลก แรงโน้มถ่วงจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจนถึงระดับความลึกที่แน่นอน ที่ความลึกประมาณหนึ่งพันกิโลเมตร แรงโน้มถ่วงจะมีค่าสูงสุด (มากที่สุด) และจะเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับค่าเฉลี่ยบนพื้นผิวโลก (9.81 เมตร/วินาที) ประมาณ 5 เปอร์เซ็นต์ เมื่อลึกลงไปอีก แรงโน้มถ่วงจะลดลงอย่างต่อเนื่อง และในศูนย์กลางของโลกจะเท่ากับศูนย์

ข้อสันนิษฐานเกี่ยวกับการหมุนของโลก

ของเรา โลกหมุนทำให้แกนหมุนอย่างสมบูรณ์ใน 24 ชั่วโมง แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของกำลังสองของความเร็วเชิงมุม ดังนั้น หากโลกเร่งการหมุนรอบแกนของมัน 17 ครั้ง แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางจะเพิ่มขึ้น 17 เท่ายกกำลังสอง นั่นคือ 289 เท่า ภายใต้สภาวะปกติดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น แรงเหวี่ยงที่เส้นศูนย์สูตรคือ 1/289 ของแรงโน้มถ่วง ด้วยการเพิ่มขึ้น แรงดึงดูด 17 เท่า และแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางเท่ากัน แรงโน้มถ่วงซึ่งเป็นผลลัพธ์ของแรงทั้งสองนี้ด้วยการเพิ่มความเร็วของการหมุนตามแนวแกนของโลกจะเท่ากับศูนย์
ค่าของแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางระหว่างการหมุนของโลก ความเร็วของการหมุนของโลกรอบแกนของมันเรียกว่าวิกฤต เนื่องจากด้วยความเร็วรอบการหมุนของโลกของเรา วัตถุทั้งหมดที่เส้นศูนย์สูตรจะสูญเสียน้ำหนัก ระยะเวลาของวันในกรณีวิกฤตนี้จะอยู่ที่ประมาณ 1 ชั่วโมง 25 นาที ด้วยการเร่งความเร็วของการหมุนของโลกต่อไป วัตถุทั้งหมด (ส่วนใหญ่อยู่ที่เส้นศูนย์สูตร) ​​จะลดน้ำหนักก่อน จากนั้นแรงเหวี่ยงจะเหวี่ยงไปในอวกาศ และตัวโลกเองก็จะถูกฉีกออกจากกันด้วยแรงเดียวกัน ข้อสรุปของเราจะถูกต้องถ้าโลกเป็นวัตถุที่แข็งกระด้างอย่างยิ่ง และเมื่อเร่งการเคลื่อนที่แบบหมุน จะไม่เปลี่ยนรูปร่าง กล่าวคือ ถ้ารัศมีของเส้นศูนย์สูตรของโลกคงค่าของมันไว้ แต่เป็นที่ทราบกันดีว่าด้วยการเร่งความเร็วของการหมุนของโลก พื้นผิวของมันจะต้องผ่านการเสียรูปบางอย่าง: มันจะเริ่มหดตัวในทิศทางของขั้วและขยายตัวในทิศทางของเส้นศูนย์สูตร มันจะมีลักษณะแบนราบมากขึ้น ความยาวของรัศมีเส้นศูนย์สูตรของโลกจะเริ่มเพิ่มขึ้นและทำให้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางเพิ่มขึ้น ดังนั้นวัตถุที่เส้นศูนย์สูตรจะลดน้ำหนักก่อนที่ความเร็วการหมุนของโลกจะเพิ่มขึ้น 17 เท่า และภัยพิบัติที่เกิดกับโลกจะเกิดขึ้นก่อนวันจะลดระยะเวลาลงเหลือ 1 ชั่วโมง 25 นาที กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความเร็ววิกฤตของการหมุนของโลกจะน้อยกว่า และความยาวสูงสุดของวันจะค่อนข้างนานขึ้น ลองนึกภาพในใจว่าความเร็วของการหมุนของโลกจะเข้าใกล้จุดวิกฤตโดยไม่ทราบสาเหตุ แล้วชาวโลกจะเป็นอย่างไร? อย่างแรกเลย ทุกๆ ที่บนโลกต่อวันจะอยู่ที่ประมาณสองหรือสามชั่วโมง กลางวันและกลางคืนจะเปลี่ยนลานตาอย่างรวดเร็ว ดวงอาทิตย์เช่นเดียวกับท้องฟ้าจำลองจะเคลื่อนตัวข้ามท้องฟ้าอย่างรวดเร็ว และทันทีที่คุณตื่นขึ้นและล้างตัวเอง มันก็จะหายลับไปหลังขอบฟ้า และกลางคืนจะมาแทนที่ ผู้คนจะนำทางได้ไม่ตรงเวลาอีกต่อไป ไม่มีใครจะรู้ว่าวันนี้เป็นวันอะไรของเดือนและเป็นวันอะไรในสัปดาห์ ชีวิตมนุษย์ปกติจะไม่เป็นระเบียบ นาฬิกาลูกตุ้มจะช้าลงและหยุดทุกที่ พวกเขาเดินเพราะแรงโน้มถ่วงกระทำต่อพวกเขา ในชีวิตประจำวันของเรา เมื่อ "ผู้เดิน" เริ่มล้าหลังหรือเร่งรีบ ก็จำเป็นต้องทำให้ลูกตุ้มสั้นลงหรือยาวขึ้น หรือแม้แต่แขวนน้ำหนักเพิ่มเติมบนลูกตุ้ม ร่างกายที่เส้นศูนย์สูตรจะลดน้ำหนัก ภายใต้สภาวะสมมติเหล่านี้จะยกของหนักมากได้ง่าย จะสะพายม้า ช้าง หรือแม้แต่ยกบ้านก็ไม่ใช่เรื่องยาก นกจะสูญเสียความสามารถในการลงจอด นี่คือฝูงนกกระจอกบินวนอยู่ในรางน้ำ พวกเขาร้องเจี๊ยก ๆ แต่ไม่สามารถลงมาได้ เมล็ดพืชหนึ่งกำมือที่เขาขว้างไปจะแขวนอยู่บนพื้นโลกด้วยเมล็ดพืชที่แยกจากกัน ให้ยิ่งไปกว่านั้นความเร็วของการหมุนของโลกเข้าใกล้จุดวิกฤตมากขึ้น โลกของเรามีรูปร่างผิดปกติอย่างมากและมีลักษณะแบนราบมากขึ้น มันเปรียบได้กับม้าหมุนที่หมุนอย่างรวดเร็วและขู่ว่าจะขับไล่ผู้อยู่อาศัย แม่น้ำจะหยุดไหล พวกมันจะเป็นหนองน้ำนิ่งนาน เรือเดินทะเลขนาดใหญ่แทบจะไม่แตะพื้นน้ำ เรือดำน้ำจะไม่สามารถดำลงไปในทะเลได้ ปลาและสัตว์ทะเลจะว่ายบนพื้นผิวของทะเลและมหาสมุทร พวกเขาจะไม่สามารถ เพื่อซ่อนตัวอยู่ในทะเลลึก กะลาสีจะไม่สามารถทอดสมอได้อีกต่อไป พวกเขาจะไม่เป็นเจ้าของหางเสือของเรืออีกต่อไป เรือขนาดใหญ่และขนาดเล็กจะยืนนิ่ง นี่คือภาพสมมติอีกภาพหนึ่ง รถไฟโดยสารจอดอยู่ที่สถานี นกหวีดถูกเป่าแล้ว รถไฟต้องออกไป คนขับใช้มาตรการที่จำเป็นทั้งหมด สโตกเกอร์โยนถ่านหินลงในเตาอย่างไม่เห็นแก่ตัว ประกายไฟขนาดใหญ่บินจากปล่องไฟของรถจักรไอน้ำ ล้อหมุนอย่างสิ้นหวัง แต่หัวรถจักรหยุดนิ่ง ล้อไม่สัมผัสรางและไม่มีแรงเสียดทานระหว่างกัน ช่วงเวลาจะมาถึงเมื่อผู้คนไม่สามารถลงไปที่พื้นได้ จะเกาะติดเหมือนแมลงวันติดเพดาน ให้ความเร็วการหมุนของโลกเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ แรงเหวี่ยงเหนือกว่าในแง่ของแรงดึงดูด ... จากนั้นผู้คน, สัตว์, ของใช้ในครัวเรือน, บ้าน, วัตถุทั้งหมดบนโลก, โลกของสัตว์ทั้งหมดจะถูกโยนลงสู่อวกาศ ทวีปออสเตรเลียจะแยกออกจากโลกและลอยอยู่ในอวกาศเหมือนเมฆสีดำขนาดมหึมา แอฟริกาจะโบยบินไปในห้วงเหวอันเงียบงัน ห่างไกลจากโลก น่านน้ำในมหาสมุทรอินเดียจะกลายเป็นหยดทรงกลมจำนวนมากและจะบินไปในระยะทางที่ไร้ขอบเขต ก่อนที่ทะเลเมดิเตอเรเนียนจะมีเวลาที่จะกลายเป็นหยดน้ำขนาดมหึมา จะแยกออกจากก้นทะเลด้วยความหนาของน้ำทั้งหมด ซึ่งจะทำให้ผ่านจากเนเปิลส์ไปยังแอลเจียร์ได้อย่างอิสระ ในที่สุดความเร็วของการหมุนจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางจะเพิ่มขึ้นมากจนโลกทั้งใบจะถูกแยกออกจากกัน อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ไม่สามารถเกิดขึ้นได้เช่นกัน ความเร็วของการหมุนของโลกดังที่เรากล่าวไว้ข้างต้นไม่เพิ่มขึ้น แต่ในทางกลับกัน มันลดลงเล็กน้อย - อย่างไรก็ตาม มันเล็กมากอย่างที่เราทราบแล้ว ใน 50,000 ปี ระยะเวลาของวันเพิ่มขึ้น โดยเพียงหนึ่งวินาที กล่าวอีกนัยหนึ่งว่าขณะนี้โลกหมุนด้วยความเร็วจนจำเป็นสำหรับพืชและสัตว์ต่างๆ ในโลกของเราที่จะเจริญงอกงามภายใต้รังสีความร้อนที่ให้ชีวิตของดวงอาทิตย์เป็นเวลาหลายพันปี

ค่าแรงเสียดทาน

มาดูกันว่าตอนนี้มีอะไรบ้าง เรื่องเสียดสีและจะเกิดอะไรขึ้นหากไม่มี เป็นที่ทราบกันดีว่าการเสียดสีส่งผลเสียต่อเสื้อผ้าของเรา: เสื้อโค้ตสวมแขนเสื้อก่อน และรองเท้าที่พื้นรองเท้า เนื่องจากแขนเสื้อและพื้นรองเท้ามักเกิดการเสียดสี แต่ลองนึกภาพสักครู่ว่าพื้นผิวโลกของเราได้รับการขัดเกลาอย่างดี เรียบเนียนอย่างสมบูรณ์แบบ และไม่รวมความเป็นไปได้ของการเสียดสี เราสามารถเดินบนพื้นผิวดังกล่าวได้หรือไม่? แน่นอนไม่ ทุกคนรู้ดีว่าเดินยากแม้บนพื้นน้ำแข็งและพื้นถู และต้องระวังไม่ให้ล้ม แต่พื้นผิวของน้ำแข็งและพื้นถูยังคงมีแรงเสียดทานอยู่บ้าง
แรงเสียดทานบนน้ำแข็ง หากแรงเสียดทานหายไปบนพื้นผิวโลก ความโกลาหลที่อธิบายไม่ได้จะครอบงำโลกของเราตลอดไป หากไม่มีการเสียดสี ทะเลก็จะโหมกระหน่ำตลอดไปและพายุจะไม่สงบลง พายุทอร์นาโดทรายจะไม่หยุดลอยเหนือพื้นโลก และลมจะพัดตลอดเวลา เสียงอันไพเราะของเปียโน ไวโอลิน และเสียงคำรามอันน่าสะพรึงกลัวของสัตว์นักล่าจะปะปนกันไปในอากาศอย่างไม่รู้จบ หากไม่มีแรงเสียดทาน ร่างกายที่เคลื่อนไหวจะไม่หยุดนิ่ง บนพื้นผิวโลกที่ราบเรียบอย่างสมบูรณ์ วัตถุและวัตถุต่าง ๆ จะถูกผสมไปในทิศทางที่หลากหลายตลอดไป โลกจะน่าหัวเราะและน่าสลดใจ หากไม่มีแรงเสียดทานและแรงดึงดูดของโลก

Obi-Wan Kenobi กล่าวว่าความแข็งแกร่งยึดกาแลคซีไว้ด้วยกัน สามารถพูดได้เช่นเดียวกันเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง ความจริงก็คือแรงโน้มถ่วงทำให้เราเดินบนโลกได้ โลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ และดวงอาทิตย์โคจรรอบหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางดาราจักรของเรา จะเข้าใจแรงโน้มถ่วงได้อย่างไร? เกี่ยวกับเรื่องนี้ - ในบทความของเรา

สมมติว่าคุณจะไม่พบคำตอบที่ถูกต้องชัดเจนสำหรับคำถามที่ว่า "แรงโน้มถ่วงคืออะไร" เพราะมันไม่มีอยู่จริง! แรงโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ที่ลึกลับที่สุดที่นักวิทยาศาสตร์ไขปริศนาและยังไม่สามารถอธิบายธรรมชาติของมันได้อย่างเต็มที่

มีสมมติฐานและความคิดเห็นมากมาย มีทฤษฎีเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง ทางเลือก และคลาสสิกมากกว่าหนึ่งโหล เราจะพิจารณาสิ่งที่น่าสนใจ ตรงประเด็น และทันสมัยที่สุด

ต้องการข้อมูลที่เป็นประโยชน์มากขึ้นและข่าวใหม่ทุกวัน? เข้าร่วมกับเราทางโทรเลข

แรงโน้มถ่วงเป็นปฏิสัมพันธ์พื้นฐานทางกายภาพ

มีปฏิสัมพันธ์พื้นฐาน 4 อย่างในฟิสิกส์ ต้องขอบคุณพวกเขา โลกจึงเป็นอย่างที่มันเป็น แรงโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในแรงเหล่านี้

ปฏิสัมพันธ์ขั้นพื้นฐาน:

• แรงโน้มถ่วง;
• แม่เหล็กไฟฟ้า;
• ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง
• ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ

แรงโน้มถ่วงเป็นจุดอ่อนที่สุดของแรงพื้นฐานทั้งสี่

ในขณะนี้ ทฤษฎีปัจจุบันที่อธิบายแรงโน้มถ่วงคือ GR (ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป) มันถูกเสนอโดย Albert Einstein ในปี 1915-1916

อย่างไรก็ตาม เรารู้ว่ายังเร็วเกินไปที่จะพูดถึงความจริงขั้นสุดท้าย ท้ายที่สุด หลายศตวรรษก่อนการถือกำเนิดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในฟิสิกส์ ทฤษฎีของนิวตันซึ่งขยายออกไปอย่างมีนัยสำคัญ ถูกครอบงำเพื่ออธิบายแรงโน้มถ่วง

ในขณะนี้ เป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายและอธิบายประเด็นทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วงภายในกรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ก่อนนิวตัน เชื่อกันอย่างกว้างขวางว่าแรงโน้มถ่วงบนโลกและความโน้มถ่วงท้องฟ้าเป็นสิ่งที่แตกต่างกัน เชื่อกันว่าดาวเคราะห์เคลื่อนที่ไปตามธรรมชาติซึ่งแตกต่างจากกฎทางโลกในอุดมคติ

นิวตันค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากลในปี ค.ศ. 1667 แน่นอน กฎข้อนี้มีอยู่แม้กระทั่งในช่วงไดโนเสาร์และก่อนหน้านั้นมาก

นักปรัชญาโบราณคิดเกี่ยวกับการมีอยู่ของแรงโน้มถ่วง กาลิเลโอทดลองคำนวณความเร่งของการตกอย่างอิสระบนโลก โดยพบว่าวัตถุทุกมวลมีค่าเท่ากัน เคปเลอร์ศึกษากฎการเคลื่อนที่ของเทห์ฟากฟ้า

นิวตันสามารถกำหนดและสรุปผลการสังเกตได้ นี่คือสิ่งที่เขาได้รับ:

วัตถุสองชิ้นถูกดึงดูดเข้าหากันด้วยแรงที่เรียกว่าแรงโน้มถ่วงหรือแรงโน้มถ่วง

สูตรของแรงดึงดูดระหว่างวัตถุคือ:

G คือค่าคงตัวโน้มถ่วง m คือมวลของวัตถุ r คือระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุ

ความหมายทางกายภาพของค่าคงที่โน้มถ่วงคืออะไร? เท่ากับแรงที่วัตถุมวล 1 กิโลกรัม กระทำต่อกัน โดยอยู่ห่างจากกัน 1 เมตร

ตามทฤษฎีของนิวตัน ทุกวัตถุสร้างสนามโน้มถ่วง ความถูกต้องของกฎของนิวตันได้รับการทดสอบที่ระยะทางน้อยกว่าหนึ่งเซนติเมตร แน่นอนว่าสำหรับมวลชนกลุ่มเล็ก ๆ กองกำลังเหล่านี้ไม่มีนัยสำคัญและสามารถละเลยได้

สูตรของนิวตันใช้ได้กับทั้งการคำนวณแรงดึงดูดของดาวเคราะห์กับดวงอาทิตย์และสำหรับวัตถุขนาดเล็ก เราไม่สังเกตเห็นแรงที่ลูกบอลบนโต๊ะบิลเลียดถูกดึงดูด อย่างไรก็ตาม แรงนี้มีอยู่และสามารถคำนวณได้

แรงดึงดูดกระทำระหว่างวัตถุใดๆ ในจักรวาล เอฟเฟกต์ของมันขยายไปถึงทุกระยะ

กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตันไม่ได้อธิบายธรรมชาติของแรงดึงดูด แต่กำหนดรูปแบบเชิงปริมาณ ทฤษฎีของนิวตันไม่ได้ขัดแย้งกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เพียงพอแล้วสำหรับการแก้ปัญหาในทางปฏิบัติในระดับของโลกและการคำนวณการเคลื่อนที่ของเทห์ฟากฟ้า

แรงโน้มถ่วงในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

แม้ว่าทฤษฎีของนิวตันจะนำไปใช้ได้จริง แต่ก็มีข้อบกพร่องหลายประการ กฎความโน้มถ่วงสากลเป็นคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ แต่ไม่ได้ให้แนวคิดเกี่ยวกับธรรมชาติทางกายภาพพื้นฐานของสิ่งต่างๆ

ตามคำกล่าวของนิวตัน แรงดึงดูดกระทำที่ระยะใดก็ได้ และใช้งานได้ทันที เมื่อพิจารณาว่าความเร็วที่เร็วที่สุดในโลกคือความเร็วแสง มีความคลาดเคลื่อน แรงโน้มถ่วงสามารถกระทำได้ทันทีที่ระยะทางใด ๆ ในเมื่อแสงไม่ต้องการชั่วขณะ แต่ใช้เวลาหลายวินาทีหรือหลายปีเพื่อเอาชนะพวกมัน

ภายในกรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แรงโน้มถ่วงไม่ถือเป็นแรงที่กระทำกับวัตถุ แต่เป็นความโค้งของอวกาศและเวลาภายใต้อิทธิพลของมวล ดังนั้นแรงโน้มถ่วงจึงไม่ใช่ปฏิสัมพันธ์ของแรง

แรงโน้มถ่วงมีผลอย่างไร? ลองอธิบายโดยใช้การเปรียบเทียบ

ลองนึกภาพพื้นที่เป็นแผ่นยางยืด หากคุณใส่ลูกเทนนิสแบบบางเบา พื้นผิวจะยังคงเรียบ แต่ถ้าคุณวางของหนักไว้ข้างลูกบอล มันจะดันเป็นรูบนผิวน้ำ และลูกบอลจะเริ่มหมุนเข้าหาน้ำหนักที่หนักและใหญ่ นี่คือ "แรงโน้มถ่วง"

อนึ่ง! สำหรับผู้อ่านของเราตอนนี้มีส่วนลด 10% สำหรับ งานอะไรก็ได้

การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง

Albert Einstein ทำนายคลื่นความโน้มถ่วงในปี 1916 แต่ถูกค้นพบในอีกร้อยปีต่อมาในปี 2015

คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร? ลองวาดการเปรียบเทียบอีกครั้ง หากคุณโยนหินลงไปในน้ำนิ่ง วงกลมจะลอยขึ้นมาบนผิวน้ำจากจุดที่ตกลงมา คลื่นความโน้มถ่วงเป็นระลอกคลื่นเดียวกัน ไม่ใช่แค่บนน้ำ แต่ในอวกาศ-เวลา

แทนที่จะเป็นน้ำ - กาลอวกาศและแทนที่จะเป็นหินพูดเป็นหลุมดำ การเคลื่อนที่ของมวลที่เร่งขึ้นทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วง หากวัตถุตกอย่างอิสระ ระยะห่างระหว่างวัตถุจะเปลี่ยนไปเมื่อคลื่นโน้มถ่วงผ่าน

เนื่องจากแรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่อ่อนแอมาก การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจึงมีความเกี่ยวข้องกับปัญหาทางเทคนิคอย่างมาก เทคโนโลยีสมัยใหม่ทำให้สามารถตรวจจับการระเบิดของคลื่นความโน้มถ่วงจากแหล่งกำเนิดมวลมหาศาลเท่านั้น

เหตุการณ์ที่เหมาะสมสำหรับการลงทะเบียนคลื่นความโน้มถ่วงคือการรวมตัวของหลุมดำ น่าเสียดายหรือโชคดีที่สิ่งนี้เกิดขึ้นค่อนข้างน้อย อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์สามารถลงทะเบียนคลื่นที่กลิ้งผ่านอวกาศของจักรวาลได้อย่างแท้จริง

ในการลงทะเบียนคลื่นความโน้มถ่วงได้มีการสร้างเครื่องตรวจจับที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 4 กิโลเมตร ในระหว่างการเคลื่อนตัวของคลื่น มีการบันทึกการสั่นของกระจกบนตัวแขวนลอยในสุญญากาศและการรบกวนของแสงที่สะท้อนจากพวกมัน

คลื่นความโน้มถ่วงยืนยันความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

แรงโน้มถ่วงและอนุภาคมูลฐาน

ในแบบจำลองมาตรฐาน อนุภาคมูลฐานบางชนิดมีหน้าที่รับผิดชอบในการโต้ตอบแต่ละครั้ง เราสามารถพูดได้ว่าอนุภาคเป็นพาหะของปฏิสัมพันธ์

กราวิตอนมีหน้าที่รับผิดชอบต่อแรงโน้มถ่วง ซึ่งเป็นอนุภาคมวลน้อยสมมุติที่มีพลังงาน อย่างไรก็ตาม ในเนื้อหาแยกของเรา โปรดอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับ Higgs boson และอนุภาคมูลฐานอื่นๆ ที่ส่งเสียงดังมาก

สุดท้าย ต่อไปนี้คือข้อเท็จจริงที่น่าสนใจบางประการเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง

10 ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง

1. เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลก ร่างกายต้องมีความเร็วเท่ากับ 7.91 กม./วินาที นี่คือความเร็วจักรวาลแรก ร่างกาย (เช่น ยานสำรวจอวกาศ) เคลื่อนที่ในวงโคจรรอบโลกก็เพียงพอแล้ว
2. เพื่อหนีจากสนามโน้มถ่วงของโลก ยานอวกาศต้องมีความเร็วอย่างน้อย 11.2 กม./วินาที นี่คือความเร็วของอวกาศที่สอง
3. วัตถุที่มีแรงโน้มถ่วงมากที่สุดคือหลุมดำ แรงโน้มถ่วงของพวกมันแรงมากจนดึงดูดแสงได้ (โฟตอน)
4. คุณจะไม่พบแรงโน้มถ่วงในสมการใดๆ ของกลศาสตร์ควอนตัม ความจริงก็คือเมื่อคุณพยายามรวมแรงโน้มถ่วงไว้ในสมการ แรงโน้มถ่วงจะสูญเสียความเกี่ยวข้องไป นี่เป็นหนึ่งในปัญหาที่สำคัญที่สุดในฟิสิกส์สมัยใหม่
5. คำว่าแรงโน้มถ่วงมาจากภาษาละติน "gravis" ซึ่งแปลว่า "หนัก"
6. ยิ่งวัตถุมีมวลมากเท่าใด แรงโน้มถ่วงก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น หากบุคคลที่มีน้ำหนัก 60 กิโลกรัมบนโลกชั่งน้ำหนักบนดาวพฤหัสบดี เครื่องชั่งจะแสดง 142 กิโลกรัม
7. นักวิทยาศาสตร์ของนาซ่ากำลังพยายามพัฒนาลำแสงความโน้มถ่วงที่จะยอมให้วัตถุเคลื่อนที่ได้โดยไม่ต้องสัมผัสเพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วง
8. นักบินอวกาศในวงโคจรก็ประสบกับแรงโน้มถ่วงเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สภาวะไร้น้ำหนัก ดูเหมือนพวกมันจะตกลงมาอย่างไม่รู้จบพร้อมกับเรือที่พวกเขาอยู่
9. แรงโน้มถ่วงดึงดูดเสมอและไม่เคยผลักไส
10. หลุมดำขนาดเท่าลูกเทนนิสดึงวัตถุด้วยแรงเดียวกับโลกของเรา

ตอนนี้คุณทราบคำจำกัดความของแรงโน้มถ่วงแล้ว และคุณสามารถบอกได้ว่าสูตรใดที่ใช้คำนวณแรงดึงดูด หากหินแกรนิตแห่งวิทยาศาสตร์ดึงดูดคุณให้หนักกว่าแรงโน้มถ่วง โปรดติดต่อฝ่ายบริการนักเรียนของเรา เราจะช่วยให้คุณเรียนรู้ได้ง่ายภายใต้ภาระงานที่หนักที่สุด!