Одон орон судлалын таталцлын тухай ойлголтыг хэрхэн ойлгох вэ
Таталцал бол одон орон судлалын хамгийн үндсэн ойлголтуудын нэг бөгөөд үнэндээ үүнийг гаригууд яагаад оддыг тойрдог, одод яагаад галактик үүсгэдэг, алслагдсан объектуудаас гэрэл яагаад мурийдаг болохыг тайлбарладаг "хэл" гэж нэрлэж болно. Энэ нь нарийн төвөгтэй сонсогдож болох ч таталцлыг аажмаар ойлгож болно: өдөр тутмын туршлагаас эхлээд Ньютоны хууль руу шилжиж, дараа нь орчин үеийн сансар судлалын үндэс суурь болсон Эйнштейний ерөнхий харьцангуйн онол руу шилждэг. Энэ нийтлэлд одон орон судлал дахь таталцлыг хэрхэн уялдаа холбоотой, хэрэглэх боломжтой байдлаар ойлгох талаар авч үзэх болно.
1. Таталцал: өдөр тутмын туршлагаас сансрын хэмжээс хүртэл
Бид таталцлыг энгийн ойлголтоос мэднэ: газарт унаж буй объектууд. Гэхдээ одон орон судлалд таталцал нь зөвхөн "доош чиглэсэн хүч" биш, харин масстай (мөн харьцангуйн онолд энергитэй) бүх объектуудын хоорондох бүх нийтийн таталцал юм. Таталцал нь шууд холбоогүйгээр ажилладаг бөгөөд тодорхой "хүрээний хязгаар" байдаггүй тул энэ нь тэнгэрийн биетүүдийн том хэмжээний хөдөлгөөний гол хөдөлгөгч хүч юм.
Дэлхий дээр таталцал нь дэлхийн массын том хэмжээ болон бидний ойр орчмын байдлаас шалтгаалан давамгайлж байгаа мэт санагддаг. Сансар огторгуйд таталцал хэвээр байгаа ч чөлөөт уналтын нөхцөл байдлаас (жишээлбэл, сансрын станц дээрх сансрын нисгэгчид) болж "жингийн мэдрэмж" алдагдаж болно. Микротаталцал гэдэг нь таталцал байхгүй гэсэн үг биш, харин объектууд дэлхийн эргэн тойронд тогтмол унах төлөвтэй байдаг гэдгийг ойлгох нь чухал юм.
2. Ньютоны таталцлын хууль: тойрог замыг ойлгох анхны үндэс суурь
Одон орон судлалын таталцлын хүчийг ойлгох хамгийн сонгодог арга бол Ньютоны Ертөнцийн таталцлын тухай хууль юм. Энэ хуульд масстай хоёр биет бие биенээ татдаг бөгөөд хүчний хэмжээ нь дараах байдалтай байна гэж заасан байдаг.
- тэдгээрийн массын үржвэртэй шууд пропорциональ;
- тэдгээрийн массын төвүүдийн хоорондох зайны квадраттай урвуу пропорциональ.
Чанарын хувьд энэ нь дараахь зүйлийг илэрхийлнэ.
– Биетийн масс их байх тусам түүний таталцал хүчтэй байдаг.
– Зай холдох тусам таталцлын хүч хурдан сулардаг.
Үүнээс бид яагаад Нар нарны аймгийг ноёрхож байгааг ойлгож болно: түүний масс нь гаригуудын массаас хамаагүй их байдаг. Мөн Наранд ойрхон гаригууд яагаад илүү хурдан хөдөлдөгийг ойлгож болно: тэдний таталцлын хүч илүү их байдаг тул Наранд унахгүйгээр "тойрох"ын тулд илүү өндөр тойрог замын хурд шаарддаг.
3. Тойрог зам нь "хөвөгч" биш, харин тасралтгүй унаж байна
Тойрог замыг ойлгох хамгийн ойлгомжтой аргуудын нэг бол асар өндөр өндрөөс унасан объектыг төсөөлөх явдал юм. Энэ нь шулуун доош унадаг. Гэсэн хэдий ч хэрэв объектод хангалттай том хэвтээ хурд өгвөл энэ нь үргэлжлүүлэн унах боловч дэлхийн гадаргуу түүнээс "холдох" болно. Үр дүн: объект хэзээ ч гадаргуу дээр унахгүй бөгөөд тойрог зам үүсдэг.
Гариг болон хиймэл дагуулуудад тойрог зам нь дараахь зүйлсийн хоорондох динамик тэнцвэр юм.
- шулуун шугамаар хөдлөх хандлага (инерци),
- массын төв рүү чиглэсэн таталцлын хүч.
Хэрэв хурд хэт бага байвал объект төвийн объект руу унах болно. Хэрэв хэт өндөр байвал объект зугтаж, нарны аймгаас гарч буй сүүлт од эсвэл сансрын хөлөг шиг задгай зам (парабола эсвэл гипербола) дагуулж магадгүй.
4. Кеплер ба тойрог замын хэлбэр: төгс бус, эллипс хэлбэртэй
Ньютоноос өмнө Йоханнес Кеплер ажиглалтын өгөгдөлд үндэслэн гаригуудын хөдөлгөөний хуулиудыг нээсэн. Кеплер гаригуудын тойрог зам нь нэг фокус дээр Нар байрладаг эллипс хэлбэртэй болохыг харуулсан. Энэ нь гаригуудын Нарнаас хол зай жилийн турш яагаад өөрчлөгддөгийг тайлбарлахад тусалсан.
Кеплерийн гурван санаа нь таталцлын хүчийг ойлгоход хамааралтай:
1. Тойрог зам нь эллипс хэлбэртэй.
2. Гаригууд Нарны ойролцоо байх үед илүү хурдан, хол байх үед удаан хөдөлдөг (тэнцүү талбайн хууль).
3. Тойрог замын үе болон Нар хүртэлх дундаж зай хоёрын хооронд хамаарал байдаг.
Ньютон хожим нь Кеплерийн хуулиуд таталцлын хүчнээс байгалийн жамаар үүссэн гэж тайлбарласан. Тиймээс Кеплерийг ойлгох нь ажиглалтаас физик тайлбар хүртэлх том гүүр болсон юм.
5. Таталцал нь тэнгэрийн биетүүдийн массыг хэмжих "хэмжүүр" юм
Одон орон судлалд бид гаригууд эсвэл оддыг жингээр "жинлэх" боломжгүй байдаг. Гэхдээ таталцал нь ухаалаг шийдлийг өгдөг: массыг бусад объектын тойрог замын хөдөлгөөнөөс тооцоолж болно.
Жишээ нь:
– Гаригийн массыг түүний хиймэл дагуулуудын тойрог замаас тооцоолж болно.
– Одны массыг хамтрагч одны тойрог замаас (хоёртын одны систем) тооцоолж болно.
– Галактикийн төвийг тойрон эргэлдэж буй оддын хурдаар галактикийн массыг тооцоолж болно.
Тийм ч учраас одон орон судлал нь тойрог замын өгөгдөл, Доплерийн шилжилт, хувьсгалын үеүүдээс маш их хамаардаг: эдгээр нь бүгд массыг илчилдэг таталцлын мэдээллийг агуулдаг.
6. Том хэмжээний таталцал: галактикууд, галактикийн бөөгнөрөл, харанхуй бодис
Одон орон судлаачид галактикийн захад байгаа оддын хурдыг хэмжихдээ тэдгээр нь хэт хурдан хөдөлж байгааг зөвхөн харагдах бодисын (од ба хий) массыг тооцоход хүргэсэн болохыг тогтоожээ. Хэрэв масс нь бага байсан бол оддыг "шидэх" байсан. Гэвч галактик бүрэн бүтэн хэвээр үлджээ.
Энэ бол харанхуй материйн тухай ойлголт гарч ирсэн газар юм: гэрэл ялгаруулдаггүй ч таталцлын хүчийг эзэмшдэг үл үзэгдэх бүрэлдэхүүн хэсэг. Харанхуй материйг тайлбарлахад дараах зүйлс тусалдаг:
– галактикийн эргэлтийн муруй,
– галактикийн бөөгнөрөлүүдийн динамик,
– орчлон ертөнцийн том бүтцүүдийн үүсэл.
Орчин үеийн одон орон судлал дахь таталцлын хүчийг ойлгох нь бидний үйлчилж буй таталцлын хүч нь ихэвчлэн шууд харагдахгүй массаас үүсдэг гэдгийг ойлгох гэсэн үг юм.
7. Харьцангуйн ерөнхий онол: орон зай-цаг хугацааны муруйлт болох таталцал
Ньютоны хууль олон тохиолдолд маш нарийвчлалтай байдаг ч Ньютоны хууль хангалтгүй байдаг онцгой нөхцөл байдал (өндөр хурд, маш хүчтэй таталцлын орон) байдаг. Энэ бол Эйнштейний ерөнхий харьцангуйн онол юм.
Харьцангуйн ерөнхий онолын дагуу:
– таталцал нь сонгодог утгаараа “хүч” биш,
– масс ба энергийн муруй орон зай-цаг хугацаа,
– объектууд болон гэрэл нь муруй орон зай-цаг хугацааны хүрээнд “геодези” (хамгийн байгалийн зам)-ын дагуу хөдөлдөг.
Одон орон судлалын чухал үр дагаварууд:
– Таталцлын хүчээр гэрлийн хазайлт (таталцлын линзжилт): алслагдсан галактикуудаас ирэх гэрлийг бид болон гэрлийн эх үүсвэрийн хоорондох масс хазайлгаж болно.
– Буд гарагийн перигелион: Буд гарагийн тойрог замын хамгийн ойр цэгийн шилжилт нь харьцангуйн ерөнхий онолын таамаглалтай тохирч байна.
– Хар нүх: үйл явдлын хаяаг дайран өнгөрсний дараа гэрэл ч гарч чадахгүй муруй орон зай-цаг хугацааны муж.
Хэрэв Ньютон "гарагууд яагаад тойрог замд эргэлддэгийг" ойлгоход тусалсан бол харьцангуйн ерөнхий онол нь хар нүх, таталцлын долгион, сансрын бүтэц зэрэг үзэгдлийг ойлгоход тусалдаг.
8. Таталцлын долгион: орон зай-цаг хугацааны “чичиргээ”
Таталцлын долгионыг нээсэн нь (LIGO-оор 2015 онд батлагдсан) орчлон ертөнцийг судлах шинэ аргыг нээсэн. Таталцлын долгион нь маш том биетүүд хэт хурдатгалд орох үед үүсдэг, жишээлбэл:
- хоёр хар нүх бие биенээ тойрон эргэлдэж, эцэст нь мөргөлддөг;
- хоёр нейтрон од нийлдэг.
Энэ нь чухал юм, учир нь одон орон судлал нь зөвхөн гэрэлд (оптик, радио, рентген туяа) найдахгүй, харин орон зай-цаг хугацааны долгионоор дамжуулан орчлон ертөнцийг "сонсдог". Таталцлын хүчийг ойлгох нь одоо зөвхөн онол биш, харин ажиглалтын хэрэгсэл болсон.
9. Одон орон судлалд таталцлын хүчийг судлах практик аргууд
Таталцлын тухай ойлголтыг үнэхээр "шингээхийн" тулд үр дүнтэй суралцах зарим алхамууд нь:
1. Орбитын тухай ойлголтоос эхлэн
Тойрог замыг тасралтгүй чөлөөт уналт гэж ойлгоорой. Хиймэл дагуул болон сансрын станцуудын жишээг ашиглана уу.
2. Хуваарийн харьцуулалтыг ашиглах
Масс болон зайны нөлөөг мэдрэхийн тулд Дэлхий, Сар, Нарны таталцлыг харьцуул.
3. Бодит тохиолдлуудыг судлах
Жишээлбэл: яагаад далайн түрлэг байдаг вэ (Сар ба Нарны нөлөө), эсвэл сүүлт од яагаад эллипс тойрог замтай байдаг вэ.
4. Ньютоны хязгаарыг мэдэж, Эйнштейний хязгаарыг хэзээ ашиглахаа мэдэх
Ньютон нарны аймгийн олон тооцоололд хангалттай байсан ч Эйнштейн хүчтэй орон (хар нүх) болон өндөр нарийвчлалд хэрэгтэй байв.
5. Ажиглалтын үзэгдлийг дагах
Таталцлын линз, галактикийн эргэлтийн муруй, таталцлын долгион нь таталцал нь хэт туйлширсан хэмжээнд ажилладагийн "нотолгоо" юм.
Дүгнэлт
Одон орон судлалд таталцлын хүчийг ойлгох нь хөдөлгөөний гол хөдөлгөгч хүч болон орчлон ертөнцийн бүтцийг ойлгох гэсэн үг юм. Ньютон тойрог замыг тайлбарлах, тэнгэрийн биетүүдийн массыг тооцоолох хүчирхэг хэрэгслийг бий болгосон. Кеплер ажиглалт дээр үндэслэн тойрог замын хэв маягийг харуулсан. Эйнштейн таталцал гэдэг нь гэрлийг нугалж, таталцлын долгион үүсгэж чаддаг орон зай-цаг хугацааны муруйлт гэсэн ойлголтыг өргөжүүлсэн. Гаригуудаас галактикууд, хиймэл дагуулуудаас хар нүхнүүд хүртэл таталцал нь сансар огторгуйн түүхийг нэхдэг утас юм.
Хэрэв та хүсвэл би энэ нийтлэлийн ахлах сургуулийн уншигчдад зориулсан илүү түгээмэл хувилбарыг эсвэл энгийн томъёо, тооцооллын жишээ бүхий илүү техникийн хувилбарыг (жишээлбэл, хиймэл дагуулын тойрог замын үеэс гаригийн массыг тооцоолох) хийж болно.
