Gravitasi adalah kekuatan paling kuat di alam semesta, satu dari empat fondasi dasar alam semesta, yang menentukan strukturnya. Sekali, terima kasih padanya, planet, bintang, dan seluruh galaksi muncul. Hari ini ia menjaga Bumi dalam orbit pada perjalanannya yang tidak pernah berakhir di sekitar Matahari.
Daya tarik sangat penting bagi kehidupan sehari-hari manusia. Berkat kekuatan tak kasat mata ini, lautan dunia kita berdenyut, sungai mengalir, hujan turun ke tanah. Sejak kecil, kita merasakan berat tubuh kita dan benda-benda di sekitarnya. Pengaruh gravitasi pada aktivitas ekonomi kita sangat besar.
Teori gravitasi pertama diciptakan oleh Isaac Newton pada akhir abad XVII. Hukum-Nya di Seluruh Dunia menggambarkan interaksi ini dalam kerangka mekanika klasik. Secara lebih luas fenomena ini dijelaskan oleh Einstein dalam teori relativitas umumnya, yang dirilis pada awal abad terakhir. Proses yang terjadi dengan kekuatan partikel elementer harus menjelaskan teori gravitasi quantum, tetapi belum dibuat.
Hari ini kita tahu tentang sifat gravitasi lebih dari pada zaman Newton, tetapi, meskipun telah dipelajari selama berabad-abad, ia masih tetap merupakan batu sandungan nyata dari fisika modern. Dalam teori gravitasi yang ada, ada banyak bintik putih, dan kita masih belum benar-benar mengerti apa yang menyebabkannya, dan bagaimana interaksi ini ditransfer. Dan, tentu saja, kita sangat jauh dari mampu mengendalikan kekuatan gravitasi, sehingga anti-gravitasi atau levitasi akan ada untuk waktu yang lama hanya di halaman-halaman novel fiksi ilmiah.
Apa yang jatuh di kepala Newton?
Orang-orang berpikir tentang sifat kekuatan, yang menarik benda ke tanah setiap saat, tetapi Isaac Newton berhasil mengangkat tabir kerahasiaan hanya pada abad ketujuh belas. Dasar untuk terobosannya meletakkan karya-karya Kepler dan Galileo - ilmuwan brilian yang mempelajari gerakan benda langit.
Satu setengah abad sebelum Hukum Newton tentang Dunia, astronom Polandia Copernicus percaya bahwa daya tarik adalah "... tidak lain adalah kecenderungan alami yang membuat bapak Semesta menganugerahkan semua partikel, yaitu untuk bersatu menjadi satu keseluruhan, membentuk tubuh bulat". Descartes menganggap daya tarik sebagai konsekuensi dari gangguan di dunia eter. Filsuf dan ilmuwan Yunani Aristoteles yakin bahwa massa mempengaruhi kecepatan tubuh yang jatuh. Dan hanya Galileo Galilei pada akhir abad XVI yang membuktikan bahwa ini tidak benar: jika tidak ada hambatan udara, semua benda dipercepat dengan cara yang sama.
Bertentangan dengan legenda umum tentang kepala dan apel, Newton mulai memahami sifat gravitasi selama lebih dari dua puluh tahun. Hukum gravitasinya adalah salah satu penemuan ilmiah paling penting dari semua zaman dan manusia. Ini universal dan memungkinkan Anda untuk menghitung lintasan benda langit dan secara akurat menggambarkan perilaku objek di sekitar kita. Teori klasik surga meletakkan dasar-dasar mekanika langit. Tiga hukum Newton memberi para ilmuwan kesempatan untuk menemukan planet baru secara harfiah "di ujung pena," setelah semua, berkat mereka, manusia mampu mengatasi gravitasi bumi dan terbang ke luar angkasa. Mereka membawa dasar ilmiah yang ketat di bawah konsep filosofis tentang kesatuan material alam semesta, di mana semua fenomena alam saling berhubungan dan dikendalikan oleh aturan fisik umum.
Newton tidak hanya menerbitkan formula untuk menghitung kekuatan yang menarik tubuh satu sama lain, ia menciptakan model yang lengkap, yang juga termasuk analisis matematika. Kesimpulan teoritis ini telah berulang kali dikonfirmasi dalam praktik, termasuk menggunakan metode paling modern.
Dalam teori Newton, setiap benda material menghasilkan medan tarik, yang disebut gravitasi. Selain itu, gaya sebanding dengan massa kedua benda dan berbanding terbalik dengan jarak di antara mereka:
F = (G m1 m2) / r2
G adalah konstanta gravitasi, yaitu 6.67 × 10−11 m³ / (kg · s²). Dia pertama kali dapat menghitung Henry Cavendish pada 1798.
Dalam kehidupan sehari-hari dan dalam disiplin ilmu terapan, kekuatan yang dengannya bumi menarik tubuh disebut sebagai bobotnya. Daya tarik antara dua benda material di Semesta adalah gravitasi dalam kata-kata sederhana.
Kekuatan tarik-menarik adalah yang terlemah dari empat interaksi fundamental fisika, tetapi berkat fitur-fiturnya ia mampu mengatur gerak sistem bintang dan galaksi:
- Daya tarik bekerja pada jarak berapa pun, ini adalah perbedaan utama antara gravitasi dan interaksi nuklir kuat dan lemah. Dengan meningkatnya jarak, aksinya berkurang, tetapi tidak pernah menjadi nol, sehingga kita dapat mengatakan bahwa bahkan dua atom di ujung galaksi yang berbeda memiliki efek timbal balik. Itu sangat kecil;
- Gravitasi bersifat universal. Bidang tarik-menarik melekat pada tubuh material apa pun. Para ilmuwan belum menemukan di planet kita atau di luar angkasa sebuah objek yang tidak akan berpartisipasi dalam interaksi jenis ini, sehingga peran gravitasi dalam kehidupan Semesta sangat besar. Ini berbeda dari interaksi elektromagnetik, yang efeknya pada proses ruang sangat minim, karena di alam kebanyakan benda netral secara listrik. Gaya gravitasi tidak dapat dibatasi atau disaring;
- Kerjanya tidak hanya pada materi, tetapi juga pada energi. Baginya, komposisi kimiawi benda tidak penting, hanya massa mereka yang berperan.
Menggunakan rumus Newton, gaya tarik dapat dengan mudah dihitung. Sebagai contoh, gravitasi di bulan beberapa kali lebih kecil daripada di Bumi, karena satelit kita memiliki massa yang relatif kecil. Tapi itu cukup untuk membentuk pasang surut biasa dan mengalir di lautan. Di Bumi, akselerasi jatuh bebas sekitar 9,81 m / s2. Dan di kutub, itu agak lebih besar daripada di khatulistiwa.
Meskipun sangat penting untuk pengembangan sains lebih lanjut, hukum Newton memiliki sejumlah titik lemah yang tidak memberikan istirahat kepada para peneliti. Tidak jelas bagaimana gravitasi bertindak melalui ruang yang benar-benar kosong untuk jarak yang sangat jauh, dan pada kecepatan yang tak terbayangkan. Selain itu, data secara bertahap mulai mengakumulasikan yang bertentangan dengan hukum Newton: misalnya, paradoks gravitasi atau perpindahan perihelion Merkurius. Menjadi jelas bahwa teori agresi universal membutuhkan penyempurnaan. Kehormatan ini jatuh ke banyak fisikawan Jerman yang brilian Albert Einstein.
Ketertarikan dan Teori Relativitas
Penolakan Newton untuk membahas sifat gravitasi ("Saya tidak menciptakan hipotesis") adalah kelemahan konsepnya. Tidak mengherankan, pada tahun-tahun berikutnya, banyak teori gravitasi muncul.
Sebagian besar dari mereka milik model hidrodinamik yang disebut, yang mencoba membenarkan munculnya interaksi mekanis benda material dengan beberapa zat antara yang memiliki sifat tertentu. Para peneliti menyebutnya secara berbeda: "vakum", "eter", "fluks graviton", dll. Dalam hal ini, gaya tarik-menarik antara benda-benda muncul sebagai akibat dari perubahan zat ini, ketika zat itu diserap oleh benda atau aliran yang disaring. Pada kenyataannya, semua teori semacam itu memiliki satu kelemahan serius: agak akurat memprediksi ketergantungan gaya gravitasi pada jarak, mereka harus mengarah pada perlambatan benda yang bergerak relatif terhadap "eter" atau "fluks graviton".
Einstein mendekati masalah ini dari sudut yang berbeda. Dalam teori relativitas umumnya (GTR), gravitasi dipandang bukan sebagai interaksi kekuatan, tetapi sebagai properti ruangwaktu itu sendiri. Setiap benda yang memiliki massa mengarah ke kelengkungannya, yang menyebabkan daya tarik. Dalam hal ini, gravitasi adalah efek geometris, yang dipertimbangkan dalam kerangka geometri non-Euclidean.
Sederhananya, kontinum ruang-waktu mempengaruhi materi, menyebabkan pergerakannya. Dan itu, pada gilirannya, mempengaruhi ruang, "menunjuk" kepadanya bagaimana menekuk.
Gaya tarik bertindak dalam mikrokosmos, tetapi pada tingkat partikel elementer pengaruhnya, dibandingkan dengan interaksi elektrostatik, dapat diabaikan. Fisikawan percaya bahwa interaksi gravitasi tidak kalah dengan yang lain pada saat-saat pertama (10 -43 detik). Setelah Big Bang.
Saat ini, konsep gravitasi, yang diusulkan dalam teori relativitas umum, adalah hipotesis kerja utama yang diterima oleh sebagian besar komunitas ilmiah dan dikonfirmasi oleh hasil berbagai eksperimen.
Einstein dalam karyanya meramalkan efek luar biasa dari gaya gravitasi, yang sebagian besar sudah dipastikan. Misalnya, kemungkinan tubuh besar membengkokkan sinar cahaya dan bahkan memperlambat perjalanan waktu. Fenomena terakhir ini perlu diperhitungkan saat mengoperasikan sistem navigasi satelit global seperti GLONASS dan GPS, jika tidak dalam beberapa hari kesalahan mereka akan puluhan kilometer.
Selain itu, konsekuensi dari teori Einstein adalah apa yang disebut efek gravitasi halus, seperti medan gravitasi-magnetik dan inersia sistem referensi inersia (juga dikenal sebagai efek Lense-Thirring). Manifestasi kekuatan ini sangat lemah sehingga untuk waktu yang lama tidak dapat dideteksi. Hanya pada 2005, berkat misi unik Gravity Probe B NASA, efek Lense-Thirring dikonfirmasi.
Radiasi gravitasi atau penemuan paling mendasar beberapa tahun terakhir
Gelombang gravitasi adalah osilasi dari struktur ruang-waktu geometris, merambat dengan kecepatan cahaya. Keberadaan fenomena ini juga diprediksi oleh Einstein dalam relativitas umum, tetapi karena kelemahan gaya, besarnya sangat kecil, sehingga tidak dapat dideteksi untuk waktu yang lama. Hanya bukti tidak langsung yang mendukung keberadaan radiasi.
Gelombang tersebut menghasilkan benda material yang bergerak dengan akselerasi asimetris. Para ilmuwan menggambarkan mereka sebagai "riak ruang-waktu." Sumber radiasi yang paling kuat adalah bertumbukan galaksi dan sistem runtuh yang terdiri dari dua objek. Contoh khas dari kasus terakhir adalah fusi lubang hitam atau bintang neutron. Dalam proses tersebut, radiasi gravitasi dapat melewati lebih dari 50% dari total massa sistem.
Gelombang gravitasi pertama kali ditemukan pada 2015 menggunakan dua observatorium LIGO. Hampir segera, peristiwa ini menerima status penemuan terbesar dalam fisika dalam beberapa dekade terakhir. Pada 2017, Hadiah Nobel diberikan untuknya. Setelah itu, para ilmuwan telah beberapa kali mampu memperbaiki radiasi gravitasi.
Kembali di tahun 70-an abad terakhir - jauh sebelum konfirmasi eksperimental - para ilmuwan menyarankan menggunakan radiasi gravitasi untuk melakukan komunikasi jarak jauh. Keuntungannya yang tidak diragukan lagi adalah kemampuan tinggi untuk melewati zat apa pun tanpa diserap. Tetapi pada saat ini hampir tidak mungkin, karena ada kesulitan besar dengan generasi dan penerimaan gelombang ini. Ya, dan pengetahuan nyata tentang sifat gravitasi tidak cukup.
Saat ini, ada beberapa instalasi di berbagai negara di dunia, mirip dengan LIGO, dan yang baru sedang dibangun. Sangat mungkin bahwa dalam waktu dekat kita akan belajar lebih banyak tentang radiasi gravitasi.
Teori alternatif tentang pelebaran dunia dan alasan penciptaannya
Saat ini, konsep gravitasi yang dominan adalah GR. Ini setuju dengan seluruh array data eksperimen dan pengamatan yang ada. Pada saat yang sama, ia memiliki sejumlah besar titik lemah dan titik kontroversial, oleh karena itu upaya untuk membuat model baru yang menjelaskan sifat gravitasi tidak berhenti.
Semua teori persepsi di seluruh dunia yang telah dikembangkan sejauh ini dapat dibagi menjadi beberapa kelompok utama:
- standar;
- alternatif;
- kuantum;
- teori medan tunggal.
Upaya untuk menciptakan konsep baru di seluruh dunia dilakukan pada abad XIX. Berbagai penulis memasukkan eter atau teori cahaya sel. Tetapi kedatangan GR mengakhiri eksplorasi ini. Setelah dipublikasikan, tujuan para ilmuwan telah berubah - sekarang upaya mereka ditujukan untuk meningkatkan model Einstein, termasuk fenomena alam baru di dalamnya: bagian belakang partikel, perluasan Semesta, dll.
Pada awal 1980-an, fisikawan secara eksperimental menolak semua konsep, kecuali yang memasukkan GTR sebagai bagian integral. Pada saat ini, datang ke mode "teori string", yang tampak sangat menjanjikan. Tetapi konfirmasi yang berpengalaman dari hipotesis ini belum ditemukan. Selama beberapa dekade terakhir, ilmu pengetahuan telah mencapai ketinggian yang signifikan dan telah mengumpulkan sejumlah besar data empiris. Saat ini, upaya untuk menciptakan teori gravitasi alternatif diilhami terutama oleh penelitian kosmologis yang terkait dengan konsep-konsep seperti "materi gelap", "inflasi", "energi gelap".
Salah satu tugas utama fisika modern adalah penyatuan dua arah mendasar: teori kuantum dan relativitas umum. Para ilmuwan berusaha mengaitkan ketertarikan dengan jenis interaksi lain, sehingga menciptakan "teori segalanya". Inilah yang dilakukan gravitasi kuantum - cabang fisika yang mencoba memberikan deskripsi kuantum tentang interaksi gravitasi. Cabang dari arah ini adalah teori gravitasi loop.
Meskipun ada upaya aktif dan jangka panjang, tujuan ini belum tercapai. Dan masalahnya bahkan tidak dalam kompleksitas tugas ini: itu hanya bahwa dasar teori kuantum dan GR adalah paradigma yang sama sekali berbeda. Mekanika kuantum bekerja dengan sistem fisik yang bekerja dengan latar belakang ruang-waktu biasa. Dan dalam teori relativitas, ruang-waktu itu sendiri adalah komponen yang dinamis, tergantung pada parameter sistem klasik yang ada di dalamnya.
Bersamaan dengan hipotesis ilmiah dunia, ada juga teori yang jauh dari fisika modern. Sayangnya, dalam beberapa tahun terakhir, "karya" semacam itu baru saja membanjiri Internet dan rak-rak toko buku. Beberapa penulis karya seperti itu umumnya memberi tahu pembaca bahwa gravitasi tidak ada, dan hukum Newton dan Einstein adalah penemuan dan mistifikasi.
Contohnya adalah karya "ilmuwan" Nikolai Levashov, yang menyatakan bahwa Newton tidak menemukan hukum dunia, dan hanya planet-planet dan bulan kita, bulan, yang memiliki gaya gravitasi di tata surya. Bukti dari "ilmuwan Rusia" ini mengarah sangat aneh. Salah satunya adalah penerbangan dari probe NEAR Shoemaker Amerika ke asteroid Eros, yang terjadi pada tahun 2000. Tidak adanya tarik-menarik antara probe dan benda langit Levashov menganggap bukti kepalsuan karya Newton dan konspirasi fisikawan yang menyembunyikan kebenaran tentang gravitasi dari manusia.
Faktanya, pesawat ruang angkasa berhasil menyelesaikan misinya: pertama, ia pergi ke orbit asteroid, dan kemudian mendarat dengan lembut di permukaannya.
Gravitasi buatan dan mengapa itu diperlukan
Dua konsep dikaitkan dengan gravitasi, yang, terlepas dari status teoretisnya saat ini, sudah dikenal oleh masyarakat umum. Antigravitasi dan gravitasi buatan ini.
Antigravitasi adalah proses menangkal gaya gravitasi, yang dapat secara signifikan mengurangi atau bahkan menggantinya dengan tolakan. Menguasai teknologi ini akan mengarah pada revolusi nyata dalam transportasi, penerbangan, eksplorasi luar angkasa dan secara radikal mengubah seluruh hidup kita. Tetapi saat ini, kemungkinan anti-gravitasi bahkan tidak memiliki konfirmasi teoretis. Selain itu, berdasarkan GTR, fenomena ini sama sekali tidak layak, karena tidak ada massa negatif di alam semesta kita. Ada kemungkinan bahwa di masa depan kita akan belajar lebih banyak tentang gravitasi dan belajar bagaimana membangun pesawat berdasarkan prinsip ini.
Gravitasi buatan adalah perubahan buatan manusia terhadap gaya gravitasi yang ada. Hari ini, kami tidak membutuhkan teknologi seperti itu, tetapi situasinya pasti akan berubah setelah dimulainya perjalanan ruang angkasa jangka panjang. Dan masalahnya adalah fisiologi kita. Tubuh manusia, "terbiasa" oleh jutaan tahun evolusi terhadap gravitasi Bumi yang konstan, sangat negatif tentang efek penurunan gravitasi. Tetap lama bahkan dalam kondisi gravitasi bulan (enam kali lebih lemah dari bumi) dapat menyebabkan konsekuensi yang menyedihkan. Ilusi ketertarikan dapat dibuat menggunakan kekuatan fisik lain, seperti inersia. Namun, opsi ini rumit dan mahal. 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.
