קיומם של גרביטונים הוצע, בין היתר, מכיוון שתאוריות שדה קוונטיות הצליחו מאוד בתיאור כוחות היסוד האחרים. לדוגמה, אלקטרודינמיקה קוונטית מוסברת על ידי חלקיקים, פוטונים, הנושאים את הכוח האלקטרומגנטי ומהווים את הקוונטום של השדה האלקטרומגנטי. פוטונים מגיבים עם כל החלקיקים בעלי המטען החשמלי. תגובות אלו הן המקור גם לביטויים המאקרוסקופיים של הכוח האלקטרומגנטי. באופן דומה, כרומודינמיקה קוונטית מתארת את הכוח החזק, הנישא על ידי גלואונים. דינמיקת טעם קוונטית (quantum flavordynamics) מתארת את הכוח החלש, הנישא על ידי בוזוני W ו-Z. אם כן, שלושה מבין ארבעת הכוחות היסודיים מתוארים במסגרת תאוריית שדה קוונטית ונישאים על ידי חלקיקים.
לנוכח הצלחה זו של תאוריות השדה הקוונטיות, קיימת שאיפה לתאר גם את הכוח הרביעי, הכבידה, כתופעה קוונטית הנישאת על ידי חלקיקים. אולם, הדבר אינו מובן מאליו, מכיוון שהוא דורש איחוד של תורת השדות הקוונטית עם תורת היחסות הכללית, שהיא התיאור המדויק ביותר של תופעת הכבידה. לפי תורת היחסות הכללית, הכבידה כלל אינה כוח הדומה לשלושת האחרים, המתקיימים בתוך המרחב-זמן. לעומתם, הכבידה מהווה שינוי בצורתו של המרחב-זמן עצמו.
מכיוון ששתי הגישות כה שונות זו מזו, איחוד שלהן, אם הוא אפשרי, מהווה משימה תאורטית וניסויית קשה ביותר. עם זאת, הגיוני לשער כי לכבידה יש תכונות קוונטיות: לפי המודל המקובל כיום, ארבעת הכוחות היסודיים היו מאוחדים עד זמן פלאנק, כ- שניות לאחר תחילת המפץ הגדול. כעבור זמן זה, הכבידה נפרדה מהכוחות האחרים. כדי לברר באופן ניסויי את פרטי הישות הפיזיקלית שהתקיימה בזמן פלאנק, יש להעניק לחלקיק קוונטי את אנרגיית פלאנק, כ-. זו גדולה פי כ- מהאנרגיה הגבוהה ביותר המושגת במאיץ חלקיקים ארצי ופי כ- מהאנרגיה של הקרניים הקוסמיות האנרגטיות ביותר שנצפו אי פעם. לכן, לא ניתן לבחון כיום בניסוי את העולם בו תורת השדות הקוונטית ותורת היחסות הכללית היו מאוחדות.
אפשרות גילוי ותכונות.
הגרביטון הוא חלקיק שקיומו משוער, אך הוא מעולם לא נצפה בניסוי. נראה כי באמצעות הטכנולוגיות והגישות הזמינות כיום, כל ניסיון לגלות גרביטון יחיד נועד לכישלון. זאת, מכיוון שכוח הכבידה חלש מאוד בהשוואה לכוחות האחרים: הכבידה חלשה פי כ- מהכוח החזק ופי כ- מהכוח האלקטרומגנטי. לכן, קבוע הצימוד וחתך הפעולה של הגרביטון נמוכים במידה קיצונית. כתוצאה מכך, אפילו גלאי היפותטי עם המסה של כוכב הלכת צדק, שיהיה מוצב במסלול קרוב סביב כוכב נייטרונים (גוף שכבידתו חזקה מאוד) ובעל יעילות של 100%, צפוי לגלות רק גרביטון אחד פעם ב-10 שנים. יהיה בלתי אפשרי להבחין בין אירוע זה לבין רעש הרקע של חלקיקי ניוטרינו, מכיוון שמסת המגן שידרש כדי לחסום את אותם חלקיקים תהיה כה גבוהה עד שהמגן יקרוס לחור שחור.
עם זאת, ניתן להסיק אודות תכונותיהם של גרביטונים מתצפית על גלי כבידה. כך, ניתוח של גלי כבידה שנצפו ב-LIGO ב-2017 העלה כי אם לגרביטון יש מסה, היא נמוכה מאוד ולא עולה על . הכבידה עצמה מתפשטת במהירות האור ועל כן, גרביטונים נעים במהירות האור. אם לגרביטון אין מסה ומכיוון שלפי תצפיות מאקרוסקופיות, השפעתו הכבידתית של עצם מתפשטת למרחק אינסופי, הרי לגרביטון, כמו לפוטון, יש טווח פעולה אינסופי.
אנרגיה ואורך גל.
כל חלקיק קוונטי נושא אנרגיה ויש לו אורך גל כלשהו. צורת האנרגיה הקשורה לכוח הכבידה היא אנרגיה כבידתית. ביטויים שונים של כבידה, לרבות גלי כבידה, הם תופעות אנרגטיות. לדוגמה, אירוע מיזוג החורים השחורים הקרין גלי כבידה עם אנרגיה כוללת של כ-2 מסות שמש. לפיכך, אף אם הגרביטון נטול מסה, נראה כי הוא נושא אנרגיה. גם החלקיקים נטולי המסה האחרים נושאים אנרגיה – אנרגיית פוטון ואנרגיית גלואון. כיום, לא ברור על פי איזו נוסחה יהיה ניתן לחשב אנרגיית גרביטון של חלקיק בודד ומה עשוי להיות ספקטרום האנרגיה של הגרביטונים ביקום, או אלו הנובעים מסוגי עצמים מסוימים.
לחלופין, אם לגרביטון יש מסה ולו זעירה, הרי כמו חלקיקים מסיביים אחרים, הוא נושא אנרגיה בהתאם לשקילות המסה והאנרגיה. לפי תצפיות על גלי כבידה, נמצא כי אורך גל קומפטון של הגרביטון הוא לכל הפחות , או כ-1.6 שנות אור. על כן, מסת הגרביטון היא לכל היותר . יחס זה בין אורך גל למסה-אנרגיה מחושב לפי נוסחת פלאנק-איינשטיין, אותה נוסחה המקשרת בין אורך גל אלקטרומגנטי לאנרגיית פוטון. אולם, קיים הבדל משמעותי בין פוטונים לגרביטונים בהיבט זה, שכן אורך הגל של הגרביטון אינו שווה לאורך גל הכבידה שלפיו נמדד, אלא גבוה ממנו בסדרי גודל רבים. ייתכן שגרביטונים אינם הקוונטום של גלי כבידה, או שמתקיים בין שתי התופעות יחס אחר. מכל מקום, הסברה הנפוצה היא שאין לגרביטון מסה כלל.
בומרנג
בומרנג הוא נשק עשוי עץ שנועד לזריקה, בעבר לצורכי ציד, כיום משמש בעיקר לספורט ופנאי. הבומרנג מסתחרר תוך כדי מעופו באוויר, ויכול לגמוא מרחקים ארוכים. בומרנגים רבים מתוכננים כך שאם הם נזרקים בצורה נכונה, הם עפים במעגל גדול וחוזרים לנקודת המוצא.
היסטוריה.
מתקנים דמויי בומרנג, כולל "מקלות הטלה", היו בשימוש בכל העולם למטרות ציד, פולחן ופנאי. מקורם לא ברור די צורכו. מחקרים הראו ששבטים קדומים באירופה השתמשו בסוגים מיוחדים של קרדומי השלכה. כמו כן, במצרים העתיקה היה מקל מיוחד שהשימוש בו היה מותר רק לפרעונים, כדי לצוד ציפורים. אולם הארץ המפורסמת ביותר בבומרנגים שלה היא אוסטרליה, שם השתמשו האבוריג'ינים בבומרנגים אלפי שנים.
כיום, בומרנגים משמשים בעיקר לספורט. ישנם סוגים שונים של תחרויות - מהירות, דיוק החזרה, זמן ממושך ביותר באוויר, סיבולת (מספר תפיסות בחמש דקות של השלכה), פעלולי זריקה ומרחק. הבומרנג הספורטיבי המודרני, שלעיתים מכונה פשוט "בום", עשוי מעץ לביד פיני, פלסטיק, או חומרים מרוכבים, ומגיע בצורות וצבעים שונים. רוב הבומרנגים הספורטיביים שוקלים פחות מ-100 גרם, כשבומרנגים שנועדו לשהייה מקסימלית באוויר שוקלים לרוב פחות מ-25 גרם.
הבומרנג מותאם ליד בה הוא נזרק. מיוצרים בומרנגים מיוחדים לשמאליים.
כל שנה זוגית נערכים משחקי גביע העולם בבומרנג, כשארצות הברית וגרמניה שולחות את הנבחרות המובילות. שיאי העולם מתועדים על ידי איגוד הבומרנג העולמי וכוללים 80 תפיסות ב-5 דקות, 5 תפיסות ב-14.6 שניות, ומרחק שיא של 238 מטר, שממנו חזר הבומרנג במדויק לזורק.
דרך פעולה.
בומרנגים החוזרים לנקודת המוצא לאחר שנזרקים, בנויים משתי כנפיים, או יותר, המחוברות יחד. צורת הכנפיים היא אווירודינמית בדומה לכנף של מטוס. זריקת בומרנג מסוג זה מתבצעת כאשר כנפיו מאונכות לקרקע. בזריקה מקנים לכנפיים תנועה סיבובית בנוסף לתנועה קדימה. בזכות מבנה הכנפיים, התנועה שלהם באוויר גורמת לדחיקה של אוויר במאונך לכיוון התקדמות הבומרנג – ולפיכך (לפי החוק השלישי של ניוטון) לכוח אווירודינמי הדוחף את הבומרנג לכיוון המנוגד לכיוון דחיקת האוויר. אולם התנועה הסיבובית של הכנפיים גורמת לכך שתמיד חלק מהכנפיים יהיו בכיוון התקדמות הבומרנג וחלקם ינועו כנגד הכיוון, מה שגורם לכוחות אווירודינמיים לא מאוזנים הפועלים על הבומרנג. כל הכוחות הנ"ל, הפועלים לאורך מסלול תעופתו, דוחפים את הבומרנג וגורמים לו לנוע במסלול אליפטי, ולחזור בסופו של דבר לנקודת המוצא ממנה נזרק.
אנרגיה פוטנציאלית
אֵנֶרְגִּיָּה פּוֹטֶנְצִיָּאלִית היא אנרגיה האצורה בגוף כלשהו כתוצאה מכוח הפועל עליו, או בתוכו. אנרגיה פוטנציאלית ניתנת להמרה לצורות שונות של אנרגיה - אנרגיה קינטית, אנרגיית חום או אנרגיה פוטנציאלית מסוג אחר, ולבצע עבודה ("פוטנציאל" משמעו סך היכולות או האפשרויות הגלומים בדבר מה).
הגדרה.
כאשר פועל על גוף כוח לאורך דרך, מתבצעת עליו עבודה. אם הכוח הוא כוח משמר, עבודה זו תלויה רק בהעתק נקודות הקצה שביניהן פעל הכוח (ולא במסלול התנועה). במקרה כזה ניתן להגדיר את האנרגיה הפוטנציאלית של הגוף שנע בהשפעת הכוח כתלות במיקומו במרחב כעבודה שמבצע הכוח על גוף כאשר הוא נע מנקודת ייחוס עד לנקודה זו במסלול כלשהו. מאחר שהכוח משמר, העבודה תלויה רק בנקודות הקצה, והאנרגיה הפוטנציאלית של הגוף תלויה רק בהעתק שלו:
במערכת שבה פועלים רק כוחות משמרים, האנרגיה המכנית (סכום האנרגיה הפוטנציאלית והאנרגיה הקינטית) משתמרת:
או בניסוח שקול:
כאשר מושקעת בגוף מסוים אנרגיה על מנת להביאו למיקום מסוים ואנרגיה זו לא נפלטת בחזרה לסביבה, האנרגיה שהושקעה נאצרת בגוף כתוספת לאנרגיה הפוטנציאלית. את התוספת לאנרגיה הפוטנציאלית ניתן לחשב באמצעות אינטגרציה של הכוח לאורך המסלול מהמיקום ההתחלתי עד למיקום החדש:
formula_4
כאשר formula_5 הוא אלמנט דיפרנציאלי מתוך מסלול שכיוונו מהנקודה ההתחלתית לנקודה הסופית. תוצאת האינטגרל אינה תלויה בבחירת המסלול, לכן לרוב נוח לבחור מסלול ש'רץ' על כל קואורדינטה בנפרד. לדוגמה, בקואורדינטות קרטזיות:
formula_6
הכוח הפועל על הגוף הנובע מהאנרגיה הפוטנציאלית יפעל בכיוון שבו האנרגיה הפוטנציאלית קטנה, וגודל הכוח הוא נגזרת האנרגיה הפוטנציאלית לפי קואורדינטה (בדרך כלל מיקום). במרחב התלת ממדי הכוח הוא הגראדיאנט של האנרגיה הפוטנציאלית:
כוח זה מקטין את האנרגיה הפוטנציאלית וממיר אותה לסוג אחר של אנרגיה, לרוב לאנרגיה קינטית או לחום. לכן, האנרגיה הפוטנציאלית היא העבודה שיש ביכולתו של גוף לבצע כתוצאה משינוי ההעתק שלו.