The History of Gravity
何年もの間、人々は、物体がまっすぐ投げ出されると、地球に落ちることを知っていました。 人々はこの現象を観察し、この力の効果を予測することができましたが、それがどのように機能するかを知りませんでした。
古代から、この不思議な力を「重力」と呼ぶ数々の理論と試みがありました。 初期の頃、哲学者たちは地球に向かって物体が落下するのが神々の領域の一部であると考え、自然な動きに従った。 例えば、空気は天に属し、上方に移動し、岩石は地球に属し、地球に落ちていました。
「少し時間をかけて重力の影響を体験してください。 腕を持ち上げて、もう一度落とすか、ボールやリンゴを使ってまっすぐ投げ出さざるを得ない様子を感
4世紀に、アリストテレスは、重力の定量的記述を試みた最初の人でした。 彼は、物体が一定の速度で落ち、解放された直後に達成され、重いものが質量に比例して速く落ちたと書きました。 この考えは間違っていたが、16世紀までは頭に浮かんでいた。
Galileo Galilei Explanation of Gravity
ガリレオは実験を通して、落下体が一定の速度で速度を上げ、つまり一定の加速を持っていることに気付きました。 彼はまた、空気抵抗を無視できれば、すべての体が同じ加速度で落下し、一緒に落とされた異なる重量の体が同時に地面に到達するという重要な観察を行いました。
ガリレオは同じ形のボールを落としたと言われます。 それでも、ピサの斜塔とは異なる重みで、物体が同じ加速で倒れたことを実証すると同時に、アリストテレスの重力理論(物体は質量に比例する速度で落下すると述べている)を証明する。
これは3Dシミュレーションです、このシミュレーションで動き回って遊ぶには、マウスまたはキーバオルドを使用してください。
フルページで表示するにはここをクリック
「最後のアポロ15号の月の散歩の終わりに、デビッド・スコット司令官(下の写真)はテレビカメラのライブデモンストレーションを行いました。 彼は地質学的なハンマーと羽を差し出し、同時にそれらを落とした。 彼らは本質的に真空中にあったので、耐空気抵抗はなく、ガリレオが何百年も前に結論付けたように、羽はハンマーと同じ速度で落ちました – 一緒に放出されたすべての物体は質量に関係なく同じ速度で落ちる。 ミッションコントローラーのジョー・アレンは、「アポロ15号予備科学報告書」
https://nssdc.gsfc.
ガリレオはまた、重力が落ちるにつれて一定の速度で物体を加速することを証明するために別の実験を行った。 しかし、この仮説のテストには1つの問題がありました。 ガリレオは物体の自由落下の動きを垂直に観察できなかった。 当時、技術はこのような高速(クロックの欠如や高速を測定できるタイマー)を記録できませんでした。 その結果、ガリレオは落下物を傾斜した傾斜したランプを転がり落ちるボールに置き換えることによって動きを減速させようとしました。 フリー落下は完全に垂直なランプに相当するため、傾斜したランプを転がり落ちるボールは落下ボールと同じ方法でスピードアップすると仮定しました。
この実験を通じて、ガリレオは、物体が休息から解放され、安定した速度で速度が上がった場合、物体が移動する総距離は、その移動に必要な時間の2乗に比例すると結論付けました。 たとえば、レストから解放されたオブジェクトが 2 秒間移動した場合、そのオブジェクトは、静止から解放された後、1 秒間だけ移動した場合の 2 x 2 または 4 倍の距離を移動します。
以下のビデオは、ガリレオが行った上記の実験を再現しています。
地球上の重力の影響下で物事がどのように動くかについて、私たちはより良い理解を持っていると信じています。 しかし、この理解を惑星地球外の他の物体の動きにどのように広げるのでしょうか? 例えば、月は地球の周りをどのように回っているのでしょうか? なぜ地球は太陽の周りを周回するのですか? 星は宇宙を横切ってどのように移動しますか?
Newton's explanation of gravity
17世紀、数学者で物理学者のアイザック・ニュートン卿が重力の新しい記述を行いました。 彼は、私たちが何かの動きを予測できる世界に住んでいると信じていました。 ニュートンの重力に関する研究は、物理学の重要な転換点の一つです。
私たちがニュートンについて話すたびに、私たちの心に最初に来るものは、ニュートンの頭の上に落ちたアップルです。 この話は完全に正しいわけではありません。
ある日、ニュートンはリンゴが近くに落ちたのに気づいたとき、彼の庭で考えて座っていました。 リンゴが落ちただけでなく、彼は興奮しただけでなく、地球の中心(まっすぐ下)に行こうとしたのです。 それは、地球がリンゴを描いていたことに気づいた重要な瞬間でした。 その後、宇宙のすべての物体がその質量に比例して他のすべての物体を引き付けることを認識しました。 オブジェクトの質量が大きいほど、その重力の引力ははるかに大きくなります。 彼はこの考えを地球に広げ、月を中心に描いた。 ニュートンが重力に関する彼の作品を発表するのに、この日からほぼ20年かかりました。 リンゴは神話が示唆するようにアイザック・ニュートン卿の頭を打たなかったかもしれませんが、1の落下はニュートンを大きな発見の一つに刺激しました。
ニュートンの重力の普遍的法則は、2つの物体間の引力の力(F)は、それらの質量(m1 * m2)の積と等しく、それらの間の距離の二乗(r)で割られたと述べている。 この式は、オブジェクト間の距離が増加することも示しています。重力が弱くなる。 (オブジェクト間の距離の逆二乗を覚えておいてください)
なぜ月がリンゴのように地球にまっすぐ落ちていないのかという疑問が生じるかもしれません。
地球上のエベレストのような山の頂上から水平に大砲を発射すると想像してみてください。 ボールは前進し、重力によって同時に地面に向かって引き付けられるにつれて、湾曲した軌道に従います。 より多くのエネルギーで大砲のボールを発射し、それは山から遠くに着陸するだろうが、それはまだそうすることで湾曲した軌道に従うだろう。
ニュートンは、あなたが十分なエネルギーで大砲のボールを発射した場合、それは地球の周りを飛ぶことができ、地球がボールが落ちたのと同じ速度でボールの下を曲がっているので、決して着陸しないだろうと提案しました。 言い換えれば、ボールは地球の周りの軌道上にあるでしょう。
そして、これは月で起こることです – それは地球の周りの自由落下にありますが、地球の表面がそれを完全に「捕まえる」ことがないように十分に速く動きます。 地球の周りの軌道上で衛星を打ち上げるのも同じ原理が今日でも使われています。
Newton's Mountain thought experiment simulation - 3D
これは3Dシミュレーションです、このシミュレーションで動き回って遊ぶには、マウスまたはキーバオルドを使用してください。
フルページで表示するにはここ
Problem with Newton's Gravity
ニュートンの重力モデルは、地球上のほとんどの惑星と物体の動きを予測するのにかなりうまくいきました。 実際、ニュートンの重力法は惑星海王星を発見するために使用されました。 しかし、ニュータウンの重力法則が太陽の周りの水星の軌道を正しく予測も説明することもできなかったという問題が1つあります。 惑星の軌道はニュートンの重力法則を用いて導き出されたモデルよりも速くシフトした。
ニュートンの理論のもう一つの問題は、重力を2つの巨大な物体間の瞬時の引力と表現している。 一方のオブジェクトが離れた場合、もう一方のオブジェクトは、距離に関係なく、重力の変化によってすぐに移動を認識します。
たとえば、地球は太陽の周りを周回し、それらの間の距離は9100万マイルです。 突然、太陽が消えると仮定しましょう。 ニュートンの重力の法則によると、地球は即座に太陽の消失の影響を感じ、その軌道を失い、直線で移動します。 この動作は非現実的なようで、ニュートンの重力の法則を使用してうまく説明されていません。
さらに重要なことは、ニュートンの重力法則は重力の効果を記述するが、重力がどのように働いたかを説明しなかった。 ニュートンはこれをよく知っていて、次のこと
「重力は、特定の法律に従って常に行動するエージェントによって引き起こされなければなりません。しかし、このエージェントが材料であろうと重要であろうと、私は読者の検討に任しました。 "
— アイザッ
Einstein's explanation of gravity - General Theory of Relativity
ネットウォンの重力に関する研究が提案されてから約200年間、ニュートンの重力法則で特定された違反を説明するブレークスルーはありませんでした。 1915年、ドイツ生まれの物理学者アルバート・アインシュタインは、一般相対性理論を提案して重力を再定義した。 アインシュタインによれば、重力はニュートンのような力ではない。代わりに、巨大なオブジェクトによって作成された時空の歪み。 この歪みは重力として感じられる。
私はそれが混乱を知っています。 なぜ重力は力ではないのですか? 時空とは何か、歪みは何を意味するのか?
時空を理解してみましょう。 スペースは、通常、長さ(寸法 1)、幅(寸法 2)、高さ(寸法3)の3次元で定義されます。 ニュートンが行ったすべての作業は、空間の3次元のみを参照しましたが、アインシュタインは時間と呼ばれる第4次元の新しいアイデアを思いつきました。
なぜ時間? 友達をコーヒーに誘うとします。 あなたが場所に言及せずに会う時間や時間を言及せずに会う場所だけを言及した場合はどうなりますか? どちらのシナリオでも、場所と会う時間の両方を言わない限り、十分な情報がないので、あなたの友人と会うことは失敗します。 アインシュタインによると、時間のない空間は無意味です。 たとえば、1 秒あたりのメートルなど、時間なしではモーションを記述することはできません。 アインシュタインは、空間と時間を絡み合った生地として定義します。 (下のスケッチを参照)
アインシュタインによると、大きな物体が時空間の織物に置かれると、オブジェクトが生地を歪め、その質量に比例した曲率を作成します。 巨大な物体の時空間ワープに入る他のオブジェクトは、重力の現象を経験します。 たとえば、太陽は周囲の時空をゆがめて曲率を生み出し、他のすべての惑星は他の力によるものではなく、その周りの曲率のためだけに太陽の周りを回転します。
Einstein によると、曲率を移動するオブジェクトは、まだ可能な限り直線に沿って移動していますが、時空の歪みにより、可能な限り直線が球形のパスに沿って移動します。
たとえば、トランポリンを横切って転がるボールが単にカーブをたどるとします。 ボールの視点から見ると、それは常に直線で移動していました。それは、そのたわみを引き起こす時空の反りです。
また、太陽光のような巨大な物体を横断する場合、時空の曲率のために光線が曲がります。 この現象は重力レンズと呼ばれています。 この行動は、太陽の周りの星からの光の曲がりを測定することによって、日食の間に証明されました。
だから、アインシュタインによると、重力は力ではありません。 それは時空の曲率です。
私は今までに、あなたが重力が何であるかをよく理解することを願っています。