| Головна » Статті » Фізика | [ Додати статтю ] |
Гравітаційна взаємодія
|
План 1. Історичні відомості. 2. Принцип еквівалентності: 3. Маса світла. Історичні відомості Незважаючи на велику розмаїтість різних явищ, за сучасними уявленнями в природі існує всього чотири типи взаємодії: гравітаційна, слабка, електромагнітна й сильна. Більше того, сьогодні створена єдина теорія електрослабких взаємодій, у якій електромагнітна й слабка взаємодії розглядаються разом. Ця теорія вже підтверджена експериментально. Здійснюються також спроби створення так званого великого об'єднання, що поєднує сильну, електромагнітну і слабку взаємодії як, образно кажучи, три грані одного кристала. На цьому шляху також досягнуто певних успіхів. Однак у своїх проявах, що спостерігаються експериментально, чотири перераховані взаємодії настільки різні, що їх цілком доречно розглядати окремо. З гравітаційною взаємодією ми знайомі найбільше, тому що з нею доводиться зіштовхуватися на кожному кроці, — навіть сам процес ходіння був би неможливий без гравітаційної взаємодії. Уся практична діяльність людини на Землі пов'язана або з використанням, або з подоланням земного тяжіння. Постійно зіштовхуючись із проявом гравітації у повсякденному житті, ми звикли вважати, що гравітація — це дуже сильна взаємодія. Як важко намагатися піднімати важкі предмети або стрибати на велику висоту! Однак насправді це пов'язано з незаконною (із погляду науки) постановкою досліду. Фізики в таких випадках говорять, що дослід був недостатньо чистим. Адже тіла, які ми вважаємо важкими, взаємодіють із величезним тілом величезної маси — Землею — і притому на мінімальній відстані від неї. А як відомо, сила гравітаційної взаємодії прямо пропорційна добуткові мас взаємодіючих тіл і обернено пропорційна квадратові відстані між ними. Чистий дослід із вимірювання величини гравітаційної взаємодії був поставлений у 1798 році Кавендишем, який спеціальними вимірюваннями встановив, що сила, яка діє між двома матеріальними тілами масою по 1 г кожне, що знаходяться на відстані 1 см одне від одного, дорівнює 6,67•10-13 Н. Усі інші взаємодії незрівнянно сильніші за гравітаційну. Розглянемо це на прикладі електромагнітної взаємодії, що обумовлює, приміром, притягання магнітом металевого предмета. Зверніть увагу: з одного боку залізна скріпка притягається планетою Земля, а з іншого боку — крихітним магнітом. Цей факт, якщо над ним задуматися, вражає уяву, навіть якщо не знати, що з одного боку на скріпку діють всі атоми Землі, а з іншого боку — лише незначна частина іонізованих атомів магнітного заліза. Радіус дії гравітаційної взаємодії не обмежений, так само як і радіус дії електромагнітної взаємодії. Гравітаційна взаємодія переважає в небесній механіці — між планетами, зірками, галактиками та ін. Електромагнітна взаємодія, хоча й у трильйони разів сильніша за гравітаційну, не може тут із нею конкурувати, тому що зазвичай макроскопічні тіла не заряджені. Давньогрецький вчений Арістотель вважав, що при падінні важкі тіла рухаються зі швидкістю, пропорційною їхній масі. Очевидно, він дійшов такого висновку на основі спостережень: адже, справді, аркуш паперу повільно опускається на Землю, а камінь летить прямо вниз. Арістотель помилився, тому що не врахував опору повітря. Галілео Галілей (1564—1642) довів, що всі тіла біля поверхні Землі в порожнечі мають однакове прискорення. Такий самий висновок зробив при аналізі своїх експериментів І. Ньютон. Він використовував певний набір речовин і встановив, що золото, свинець, скло, пісок, сіль, вода, дерево, пшениця в безповітряному просторі рухаються з однаковим прискоренням. Сьогодні фізики говорять про цю чудову властивість гравітації як про рівність важкої та інертної мас. Тобто сили, які розганяють в однаковому полі тяжіння тіла з різними масами, завжди однаково пропорційні силам інерції, які утримують тіла від розгону. Факт рівності важкої та інертної мас покладений в основу загальної теорії відносності.Ньютон припустив, що усі без винятку тіла у Всесвіті змушує притягатися одне до одного одна, єдина за природою сила. Він поставив за мету відкрити закон, за яким діє ця сила всесвітнього тяжіння. Зробити це було непросто, оскільки дуже багато чого було ще невідомим науці того часу. Встановивши, що всі тіла отримують на поверхні Землі однакове прискорення, Ньютон не міг знати про те, що це прискорення змінюється при віддаленні від поверхні Землі (тоді подібні експерименти не могли бути проведені). Він не знав також, що різні предмети на Землі теж притягаються один до одного (адже Кавендиш провів свій дослід лише сто років по тому). Однак Ньютону були відомі експериментально виведені на початку XVII ст. німецьким астрономом Й. Кеплером закони руху планет, за якими випливав висновок, що сила тяжіння повинна залежати від відстані між тілами. Так Ньютон відкрив закон всесвітнього тяжіння, який стверджує, що дві будь-які матеріальні частинки з масами т1 і т2 притягаються у напрямку одна до одної із силою F, прямо пропорційною добуткові мас і обернено пропорційною квадратові відстані між ними. На основі цього закону Ньютон дав математичний висновок законів Кеплера про рух планет, пояснив природу морських припливів і багато інших явищ. Ньютон настільки випередив свій час, що чимало висловлених ним припущень знаходять наукове пояснення лише сьогодні. Принцип еквівалентності Положення про рівність важкої та інертної мас наводить на думку про еквівалентність гравітації й руху з прискоренням. Справді, система (наприклад космічний корабель або ліфт), яка рухається з прискоренням, що дорівнює прискоренню вільного падіння в гравітаційному полі Землі (g), створюватиме в цьому місці простору такі ж самі ефекти, що і поле тяжіння. Усі предмети, що знаходяться в цій системі, так само як і тіла в полі тяжіння, матимуть однакове за значенням і напрямком прискорення. Перебуваючи усередині системи, що прискорено рухаєтеся, ви не зможете жодним способом відрізнити рух із прискоренням від тяжіння. Саме ця можливість еквівалентної заміни тяжіння рухом із прискоренням називається принципом еквівалентності Ейнштейна. Певною мірою це було відомим і до Ейнштейна. Але, по-перше, Ейнштейн поширив принцип еквівалентності з механічних явищ на всі явища природи (включаючи, наприклад, світло). По-друге, до Ейнштейна еквівалентність тяжіння і руху з прискоренням розглядалася в мовчазному припущенні про миттєве поширення гравітаційної взаємодії. Завдання Ейнштейна полягало в тому, щоб зберегти положення еквівалентності в умовах справедливості сформульованого ним самим спеціального принципу відносності, відповідно до якого жоден сигнал (у тому числі й гравітаційна взаємодія) не може поширюватися зі швидкістю, більшою за швидкість світла. Це завдання він вирішив у загальній теорії відносності. Маса світла Астрономи давно виявили, що світло, яке проходить поблизу великих зір, має червонуватий відтінок. Сучасна теорія гравітації теоретично підтверджує цей факт. Світло — це потік фотонів — частинок, що відповідають за передачу електромагнітної взаємодії. Фотони одночасно мають властивості хвилі і частинки а отже, мають і масу. А на будь-яке тіло, що має масу, діє гравітація. Фотон, що пролітає повз зорю, — тіло з величезною масою — потрапляє під дію її гравітаційного поля і, долаючи його, втрачає частину своєї енергії. Це позначається на частоті хвильових коливань фотона — вона знижується. Серед світлових фотонів найнижчу частоту мають ті, котрі ми бачимо як червоне світло. Звідси червоний відтінок світла, що проходить повз зорі. Цей ефект названий гравітаційним зміщенням частоти фотонів. Гравітаційна взаємодія досліджена досить добре, проте її вивчення продовжується. Зокрема, фізиків дуже цікавить питання про вплив гравітації на виникнення таких дивних космічних об'єктів, як чорні діри. Електромагнітна взаємодія З електромагнітною взаємодією ми досить добре знайомі в повсякденному житті. Один з відомих проявів електромагнітної взаємодії — притягання й відштовхування заряджених тіл. Наприклад, два електричних заряди qt і qг, що знаходяться на відстані r, притягаються (якщо вони різнойменні) або відштовхуються (якщо однойменні) із силою, що визначається законом Кулона де k — коефіцієнт, що дорівнює 9 109 Нм2/Кл2. Цей закон взаємодії електричних зарядів дуже схожий на закон гравітаційної взаємодії: там сила взаємного тяжіння тіл прямо пропорційна добуткові їхніх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними Обидві взаємодії, електромагнітна й гравітаційна, належать до числа далекодіючих Вони виявляються на будь-якій відстані. Однак ці взаємодії дуже сильно розрізняються за своєю інтенсивністю. Порівняємо, наприклад, силу гравітаційного притягання (Fгр) двох протонів, що знаходяться на відстані 2•10-13 см (на такій відстані вони розташовані в атомному ядрі) із силою їхнього електростатичного відштовхування (Fел). Знаючи масу й електричний заряд протона, легко обчислити, що: F =5 10-35Н, FГР = 5 10-35Н,Fел=60H Тобто електростатична взаємодія двох протонів приблизно в 1036 разів сильніша, ніж їхня гравітаційна взаємодія, причому це співвідношення справедливе при будь-якій відстані між протонами. У випадку, якби ми для порівняння взяли не два протони, а протон з електроном, то розходження зросло б ще приблизно в 2000 разів, а якби взяли два електрони, то в 4 000 000 разів. Чому ж, зіштовхуючись з електростатичною взаємодією в житті, ми не помічаємо цієї її величезної сили; навпаки, у нас складається враження, що електростатична взаємодія набагато слабкіша за гравітаційну? Це пояснюється двома причинами. По-перше, гравітаційні ефекти, які ми спостерігаємо, визначаються величезною масою Землі. По-друге, у гравітаційній взаємодії беруть участь усі без винятку атоми всіх тіл, тобто усі нейтрони, усі протони й електрони, із яких ці атоми складаються. Між тим у повсякденному житті ми ніколи не бачимо повного прояву електростатичних тіл. У макроскопічному шматку речовини майже всі позитивні і негативні заряди компенсують один одного, тому що вони пов'язані в електрично нейтральні системи — атоми. Ефект взаємодії наелектризованих тертям предметів, наприклад, обумовлений лише незначним надлишком (або браком) однойменного заряду в порівнянні із загальною кількістю зв'язаних зарядів у цих предметах. Ці невеликі надлишки зарядів і впливають на весь шматок речовини, наприклад надають йому прискорення. Зрозуміло, що через велику масу нейтральних атомів із взаємно компенсованими зарядами прискорення макротіла буде невеликим. Тільки в мікросвіті, Де кожен заряд працює «винятково на себе» (тобто на масу тієї елементарної . частинки, із якою він електростатично зв'язаний), ці сили виявляються повною мірою. Цікаво, що якби оточуючі нас предмети складалися не з нейтральних атомів, а хоча б з однозарядних іонів (тобто атомів, що мають один позитивний або негативний заряд), то електростатична взаємодія між ними була б надзвичайно великою. При цьому досить «перетворити» на однозарядні іони лише невелику частку атомів. Наприклад, між двома макротілами існуватиме електромагнітна взаємодія, сила якої дорівнює силі їхньої гравітаційної взаємодії, якщо в них перетворити на іони всього 1/1018 частини атомів. У 1 см3 будь-якої твердої речовини міститься в середньому 5 • 1022 атомів. З них треба іонізувати всього 50 000. Ця кількість міститься в кубику з ребром 0,01 мкм. Навіть якщо розподілити всі ці іони в одноатомному шарі (завтовшки 10+8 см), то й тоді площа ділянки шару, зайнятого іонами, складе всього 10-10 см2, тобто 0,01 мкм2. От яка мізерна кількість іонів може повністю компенсувати гравітацію! Крім електростатичного притягання (або відштовхування) електричних зарядів за законом Кулона, існує ще багато видів електромагнітної взаємодії. Електромагнітна взаємодія, наприклад, визначає хімічні, пружні сили й сили тертя, випромінювання електромагнітних хвиль і багато чого іншого. Однак описання цих ефектів виходить за рамки програми цього реферату. Тут ми лише трохи докладніше опишемо деякі особливості проявів електромагнітної взаємодії у мікросвіті На щастя, сучасна наука дає нам таку можливість, адже з усіх видів взаємодій електромагнітна взаємодія вивчена найповніше. Відповідно до квантової електродинаміки, будь-який електричний заряд оточений електромагнітним полем, із яким він взаємодіє. У результаті цієї взаємодії випускаються або поглинаються фотони — елементарні частинки, які безпосередньо здійснюють електромагнітну взаємодію. В атомі немає фотонів у готовому вигляді, вони виникають безпосередньо в момент їхнього випускання, а виникнувши, завжди рухаються зі швидкістю світла. В електромагнітній взаємодії беруть участь всі елементарні частинки, крім нейтрино й антинейтрино. Навіть якщо частинка не має електричного заряду, вона все одно бере участь в електромагнітній взаємодії, тому що взаємодія електричних зарядів — це лише один із численних електромагнітних ефектів, що спостерігаються в природі. Найменший час, за який мікрочастинки встигають провзаємодіяти електромагнітним способом, tел-маг≈10-20с. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики. Т.1. Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка. –К, 1999.–532 с. 2. Матвеєв О.М. Механіка і теорія відносності. –К., 1993.–288 с. 3. Сивухин Д.В. Общий курс физики: В 6 т. Т.1. Механика.–М., 1989.–520 с. 4. Іванків Л.І., Палюх Б.М. Механіка.– К., 1995.– 227 с. 5. Хайкін С.Е. Фізичні основи механіки.– К., 1966.– 743 с. 6. Кушнір Р. Курс фізики. Ч.1: Механіка. –Львів, 2000.– 196 с. 7. Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. Т.1. Механика. Молекулярная физика.– М., 1987.– 416 с. 8. Иродов Н.Е. Основные законы механики.– М., 1985.– 248 с. | |
| Переглядів: 842 | |
| Всього коментарів: 0 | |