Підручник з Природничих наук. 1 частина. 10 клас. Гільберг - Нова програма

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

ЩО МЕНЕ ДО ТЕБЕ ПРИТЯГУЄ?

Про роль гравітаційної взаємодії ви, без сумніву, можете розповісти самі. Саме ця взаємодія утримує нас на поверхні Землі, а саму Землю — на орбіті навколо Сонця. Якби вона зникла, чи існував би Всесвіт?

Гравітацію, як властивість усіх тіл взаємно притягуватися, дослідив Ісаак Ньютон (мал. 3.1, а). Фізичною величиною, що описує здатність тіл вступати в гравітаційну взаємодію, є їхня маса (також уживають термін «гравітаційна маса»): що більша маса тіл, то сильніше вони притягуються одне до одного. Математично гравітаційну взаємодію описує встановлений у 1682 р. Ісааком Ньютоном закон всесвітнього тяжіння, відповідно до якого всі тіла взаємно притягуються із силою, що прямо пропорційна добутку мас тіл, які взаємодіють, та обернено пропорційна квадрату відстані між ними (мал. 3.1, б).

Механізм гравітаційної взаємодії пояснюють тим, що навколо будь-якого матеріального тіла (зокрема й навколо людини) є гравітаційне поле. Це поле — особливий різновид матерії, від дії якого нічим не можна захиститися.

Мал. 3.1: а — Ісаак Ньютон; б — ілюстрація до закону Всесвітнього тяжіння; в — Альберт Ейнштейн; г — ілюстрація гравітаційної взаємодії в сонячній системі; д — двовимірна ілюстрація викривлення простору-часу поблизу масивного тіла

У 1915 р. Альберт Ейнштейн (мал. 3.1, в) удосконалив (а по суті створив нову) теорію гравітації — загальну теорію відносності (ЗТВ), придатну для опису гравітаційної взаємодії тіл, що рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла, а також застосовну у випадку сильних гравітаційних полів, що виникають, наприклад, поблизу нейтронних зір і чорних дір. На відміну від запропонованої Ісааком Ньютоном гравітації, як «дії притягання на відстані (мал. 3.1, г)», Ейнштейн запропонував розглядати її як наслідок «викривлення» (деформації) простору-часу, яке відбувається під впливом масивного тіла (мал. 3.1, д). Що тіло масивніше, то більше «прогинається» під ним простір-час, і, відповідно, сильнішим стає його гравітаційне поле.

Найчастіше ефект від викривлення ілюструють малюнком, аналогічним малюнку 3.1, д. На ньому зображено, як масивне тіло «розтягує» уявну «сітку» простору-часу, унаслідок чого лінії сітки, що були прямими в пласкому просторі, стають викривленими. Як наслідок, траєкторії тіл, які були би прямими в плоскому просторі, змінюють свою форму поблизу масивного об’єкта. Однак потрібно пам’ятати, що цей малюнок — лише ілюстрація, яка далеко не повністю відображає фізичну реальність. Насправді ж поблизу масивного тіла викривляється не лише простір, а й простір-час, унаслідок чого змінюється не лише просторова форма траєкторій, а й часові параметри руху: тіла зазнають пришвидшення (сповільнення). Реальний простір є тривимірним, а простір-час — чотиривимірним. На малюнку довелось обмежитися зображенням двовимірного простору заради наочності.

У Сонячній системі ефекти ЗТВ виявляють себе незначними відхиленнями фактичних траєкторій руху планет та інших космічних тіл від орбіт, розрахованих у межах класичної теорії Ньютона.

А у Всесвіті, як передбачав Ейнштейн, викривлення простору-часу масивними об’єктами має породжувати гравітаційні хвилі, що поширюються зі швидкістю світла. Гравітація є найслабшою поміж чотирьох фундаментальних взаємодій, тому тільки космічні явища колосального розміру — зіткнення/взаємодія чорних дір, нейтронних зір/пульсарів чи вибух наднової — можуть стати джерелом відчутних для нас гравітаційних хвиль.

Перші докази існування гравітаційних хвиль було здобуто в 1974 р., коли в системі однієї з подвійних зір зареєстрували зменшення періоду обертання внаслідок втрати енергії через випромінювання гравітаційних хвиль. За це відкриття американські радіоастрономи Джозеф Тейлор і Расселл Халс у 1993 р. одержали Нобелівську премію.

Зареєструвати гравітаційні хвилі вчені змогли лише 14 вересня 2015 р. завдяки лазерним інтерферометрам LIGO та VIRGO гравітаційно-хвильових обсерваторій (мал. 3.2). 11 лютого 2016 р. світ дізнався про це грандіозне відкриття. За нього Райнер Вайс, Баррі К. Баріш і Кіп С. Торн одержали Нобелівську премію 2017 року.

Мал. 3.2: а — сигнали гравітаційної хвилі, отримані інструментами LIGO в Ханфорді, у Вашингтоні (ліворуч) та Лівінгстоні, штат Луїзіана (праворуч), і порівняння цих сигналів із сигналами, очікуваними через подію злиття з чорною дірою; б — північний нижній рукав обсерваторії гравітаційних хвиль LIGO; в — VIRGO — великий інтерферометр, розташований поблизу Пізи в Італії

Повернімося до нашої планети. Якби Земля не оберталася, то в результаті взаємного притягання всі земні частини розташовувалися б рівномірно навколо спільного центра притягання, і Земля набула б форми правильної нерухомої кулі. Сила притягання на поверхні такої кулі була б скрізь однакова і спрямована до центра (мал. 3.3).

Мал. 3.3: а — «Тягне вниз притягання планети, в атмосфери полоні — тіло, і нитками невидних вібрацій моє серце тримає земля». Марта Тарнавська1. Притягання землі і неба. Картина В. Бабака2 «Притяжіння Землі»; б — усі до центра

1 Тарнавська Марта Теодозіївна (нар. 1930) — українська поетеса, літературознавець, критик, перекладачка, бібліограф, член ОУП «Слово», УВАН у США, Національної спілки письменників України (1995). Дівоче прізвище — Сеньківська.

2 Бабак В’ячеслав Петрович (нар. 1946, Харків). Член Національної спілки художників України з 2003 року. Дипломант міжнародного пленеру, присвяченого 160-річчю від дня народження І. Ю. Репіна. Учасник міжнародних та всеукраїнських виставок. Роботи В’ячеслава Бабака є в музеях України (Червоноград, Чугуїв), а також у приватних колекціях в Україні, Росії, Німеччині, США, Іспанії, Ізраїлі.

Унаслідок обертання Землі діють сили, які не лише притягують, а й відштовхують тіла, що перебувають на поверхні Землі. Їх називають відцентровими силами. Відцентрові сили перпендикулярні до осі обертання. На полюсі, де швидкість обертання дорівнює нулю, відцентрова сила також дорівнює нулю. На екваторі, де лінійна швидкість найбільша (465 м/с), відцентрова сила також найбільша. Рівнодійну відцентрової сили й сили притягання називають силою земного тяжіння. Величина сили тяжіння на поверхні Землі залежить від географічної широти. Із збільшенням широти вона зростає, оскільки в цьому напрямку зменшується відцентрова сила й віддаль до центра Землі. Тому на полюсах, де відцентрової сили практично немає, а піввісь найкоротша, сила тяжіння найбільша. На екваторі, де відцентрова сила найбільша й піввісь найдовша, сила тяжіння найменша. Якщо привезти з екватора на полюс 20 000 тонн вантажу, то він «поважчає» на 100 тонн. Але цю добавку можна виявити лише тоді, коли вантаж на полюсі переважити на пружинних вагах (динамометрі, канторі, безміні).

Зі збільшенням висоти сила тяжіння різко зменшується і над екватором на висоті 40 тис км дорівнює нулю.

Сила тяжіння зумовила форму Землі, бо ущільнила внутрішню речовину й, незалежно від хімічного складу, сформувала тверде ядро. Якби Земля була правильною нерухомою кулею, однорідною за складом речовини від поверхні й до центра, то її сила тяжіння була би скрізь однаковою. Насправді ж розподіл речовини в земній кулі неоднорідний, тому фактичне гравітаційне поле відмінне від теоретичного. Прагнення до відновлення гравітаційної рівноваги зумовлює активізацію тектонічних процесів.

Гравітаційне поле утримує на Землі всі предмети й потужну атмосферу, зумовлює найважливіші фізико-географічні процеси: стік річок, рух підземних вод, обвали й лавини в горах, знесення продуктів руйнування до підніжжя схилів, формування рельєфу. Без гравітаційної взаємодії Земля не мала б свого теперішнього вигляду. І, найголовніше, гравітаційне поле втримує на відстані супутник Землі Місяць, який істотно впливає на земні процеси.

Отже, гравітаційна взаємодія — найслабший вид взаємодії. Ми з легкістю піднімаємо камінчик, який притягує ціла планета, маса якої майже 6 секстильйонів тонн (5,9736 · 1024 кг). Натомість виникає запитання: як вдалося здолати земне тяжіння під час будівництва Єгипетських пірамід, міст Мачу-Пікчу, Баальбек та інших пам’яток стародавніх цивілізацій (мал. 3.4). Левітація? Антигравітація?

Мал. 3.4: а — Єгипетські піраміди — найбільша архітектурна пам'ятка Стародавнього Єгипту, одне із семи чудес світу; б — Мачу-Пікчу — доколумбове місто інків, «місто в небесах», «місто поміж хмар», «утрачене місто інків», є символом Імперії інків

А на земній орбіті перед астронавтами постає інша проблема — створення штучної гравітації (мал. 3.5). Якщо створити космічний корабель, що обертається навколо своєї осі, відцентрова сила, що виникає внаслідок цього, «відштовхуватиме» космонавта від центра обертання, тоді він зможе стояти на «підлозі». Що швидше обертатиметься корабель, і що далі від центра перебуватиме космонавт, то сильнішою буде штучна гравітація.

Мал. 3.5: а — модель космічного апарату, який зміг би забезпечити штучну гравітацію; б — «О рятівна гравітаціє, наскільки приємна тяжкість буття після смертоносної невагомості!» Райан Стоун, головна героїня фільму Альфонсо Куарона «Гравітація»

Розв’язання проблеми створення штучної гравітації сприяло б не лише безпечному й тривалому перебуванню космонавтів на міжнародних космічних станціях (МКС), а й було би проривом у гравітаційній біології. Ці відкриття також допоможуть розвинути новий напрям — гравітаційну терапію, застосовну для лікування гіпертонічної хвороби, а також для відновлення кісткових тканин після переламів.