·
Reissner – Nordström · Kerr ·
Kerr – Newman
Gėdel · Kasner ·
Friedmanas - Lemaitre'as - Robertsonas - Walkeris
Apytiksliai sprendimai:
Postniutono formalizmas · Kovariantų perturbacijos teorija ·
Skaitinis reliatyvumas
| Įžymūs mokslininkai |
|---|
| Einšteinas · Minkovskis · Schwarzschild · Lemaitre · Eddington · Friedman · Fock · Kerr · Chandrasekhar · Penrose Hokingas ir kiti… |
Gravitacija (patrauklumas, universalioji gravitacija, gravitacija) (nuo lat. gravitas- „gravitacija“) yra universali esminė sąveika tarp visų materialių kūnų. Mažų greičių ir silpnos gravitacinės sąveikos aproksimacija apibūdinama Niutono gravitacijos teorija, bendruoju atveju – Einšteino bendroji reliatyvumo teorija. Gravitacija yra silpniausia iš keturių pagrindinių sąveikų tipų. Kvantinėje riboje gravitacinė sąveika turi būti aprašyta kvantine gravitacijos teorija, kuri dar nėra sukurta.
Gravitacinė trauka
Visuotinės gravitacijos dėsnis yra vienas iš atvirkštinio kvadrato dėsnio, kuris taip pat randamas tiriant spinduliuotę (žr., pavyzdžiui, Šviesos slėgį), pritaikymų ir yra tiesioginė kvadratinio ploto padidėjimo pasekmė. sfera, kurios spindulys didėja, o tai lemia kvadratinį bet kurio ploto vieneto įnašo į visos sferos plotą sumažėjimą.
Gravitacijos laukas, kaip ir gravitacijos laukas, yra potencialus. Tai reiškia, kad galite įvesti potencialią kūnų poros gravitacinio traukos energiją, ir ši energija nepasikeis judant kūnus uždara kilpa. Gravitacinio lauko potencialumas apima kinetinės ir potencialios energijos sumos išsaugojimo dėsnį ir, tiriant kūnų judėjimą gravitaciniame lauke, dažnai žymiai supaprastina sprendimą. Pagal Niutono mechaniką gravitacinė sąveika yra ilgalaikė. Tai reiškia, kad nesvarbu, kaip judėtų masyvus kūnas, bet kuriame erdvės taške gravitacinis potencialas priklauso tik nuo kūno padėties tam tikru laiko momentu.
Dideli kosminiai objektai – planetos, žvaigždės ir galaktikos turi didžiulę masę ir todėl sukuria reikšmingus gravitacinius laukus.
Gravitacija yra silpniausia sąveika. Tačiau kadangi ji veikia visais atstumais ir visos masės yra teigiamos, ji vis dėlto yra labai svarbi jėga Visatoje. Visų pirma, elektromagnetinė sąveika tarp kūnų kosminiu mastu yra maža, nes bendras šių kūnų elektrinis krūvis yra lygus nuliui (visa medžiaga yra elektriškai neutrali).
Be to, gravitacija, skirtingai nuo kitų sąveikų, yra universali savo poveikiu visai medžiagai ir energijai. Nerasta jokių objektų, kurie visiškai neturėtų gravitacinės sąveikos.
Dėl savo globalaus pobūdžio gravitacija yra atsakinga už tokius didelio masto efektus kaip galaktikų sandara, juodosios skylės ir Visatos plėtimasis bei už elementarius astronominius reiškinius – planetų orbitas ir už paprastą pritraukimą prie planetos paviršiaus. Žemė ir kūnų kritimas.
Gravitacija buvo pirmoji matematinės teorijos aprašyta sąveika. Aristotelis (IV a. pr. Kr.) tikėjo, kad skirtingos masės objektai krenta skirtingu greičiu. Tik daug vėliau (1589 m.) Galilėjus Galilėjus eksperimentiniu būdu nustatė, kad taip nėra – panaikinus oro pasipriešinimą, visi kūnai įsibėgėja vienodai. Izaoko Niutono visuotinės gravitacijos dėsnis (1687) gerai apibūdino bendrą gravitacijos elgesį. 1915 metais Albertas Einšteinas sukūrė Bendrąją reliatyvumo teoriją, kuri tiksliau apibūdina gravitaciją erdvėlaikio geometrijos požiūriu.
Dangaus mechanika ir kai kurios jos užduotys
Paprasčiausia dangaus mechanikos problema yra dviejų taškinių arba sferinių kūnų gravitacinė sąveika tuščioje erdvėje. Ši problema klasikinės mechanikos rėmuose sprendžiama analitiškai uždara forma; jos sprendimo rezultatas dažnai formuluojamas trijų Keplerio dėsnių forma.
Didėjant sąveikaujančių kūnų skaičiui, užduotis tampa žymiai sudėtingesnė. Taigi jau garsioji trijų kūnų problema (tai yra trijų kūnų, kurių masė yra ne nulinė, judėjimas) negali būti išspręsta analitiškai bendra forma. Naudojant skaitinį sprendimą, sprendinių nestabilumas, palyginti su pradinėmis sąlygomis, atsiranda gana greitai. Taikant Saulės sistemą, šis nestabilumas neleidžia tiksliai numatyti planetų judėjimo, viršijančio šimtą milijonų metų.
Kai kuriais ypatingais atvejais galima rasti apytikslį sprendimą. Svarbiausias yra atvejis, kai vieno kūno masė yra žymiai didesnė už kitų kūnų masę (pavyzdžiai: Saulės sistema ir Saturno žiedų dinamika). Šiuo atveju, kaip pirmą aproksimaciją, galime daryti prielaidą, kad šviesos kūnai nesąveikauja vienas su kitu ir juda Keplerio trajektorijomis aplink masyvų kūną. Į jų sąveiką galima atsižvelgti taikant perturbacijos teoriją ir apskaičiuoti jos vidurkį laikui bėgant. Tokiu atveju gali atsirasti nereikšmingų reiškinių, tokių kaip rezonansai, atraktoriai, chaosas ir tt Ryškus tokių reiškinių pavyzdys yra sudėtinga Saturno žiedų struktūra.
Nepaisant bandymų tiksliai apibūdinti daugelio maždaug vienodos masės traukiančių kūnų sistemos elgesį, to negalima padaryti dėl dinaminio chaoso reiškinio.
Stiprūs gravitaciniai laukai
Stipriuose gravitaciniuose laukuose, taip pat judant gravitaciniame lauke reliatyvistiniu greičiu, pradeda ryškėti bendrosios reliatyvumo teorijos (GTR) padariniai:
- keičiant erdvės ir laiko geometriją;
- kaip pasekmė, gravitacijos dėsnio nukrypimas nuo Niutono;
- o kraštutiniais atvejais – juodųjų skylių atsiradimas;
- potencialų vėlavimas, susijęs su baigtiniu gravitacinių trikdžių sklidimo greičiu;
- kaip pasekmė – gravitacinių bangų atsiradimas;
- netiesiškumo efektai: gravitacija linkusi sąveikauti su savimi, todėl superpozicijos principas stipriuose laukuose nebegalioja.
Gravitacinė spinduliuotė
Viena iš svarbių Bendrosios reliatyvumo teorijos prognozių yra gravitacinė spinduliuotė, kurios buvimą patvirtino tiesioginiai stebėjimai 2015 m. Tačiau anksčiau nebuvo tvirtų netiesioginių įrodymų, patvirtinančių jos egzistavimą, būtent: energijos nuostoliai artimose dvejetainėse sistemose, kuriose yra kompaktiškų gravitacinių objektų (tokių kaip neutroninės žvaigždės ar juodosios skylės), ypač garsiojoje sistemoje PSR B1913+16 (Hals pulsar). - Taylor) - gerai sutampa su bendruoju reliatyvumo modeliu, kuriame šią energiją nuneša būtent gravitacinė spinduliuotė.
Gravitacinę spinduliuotę gali generuoti tik sistemos su kintamu keturpoliu arba didesniu daugiapoliu momentu, tai rodo, kad daugumos natūralių šaltinių gravitacinė spinduliuotė yra kryptinga, o tai labai apsunkina jos aptikimą. Gravitacijos galia n-lauko šaltinis yra proporcingas texvc nerastas; Žr. matematikos / README sąrankos pagalbos.): (v/c)^(2n + 2), jei daugiapolis yra elektrinio tipo, ir Nepavyko išanalizuoti išraiškos (vykdomasis failas texvc nerastas; Žr. matematikos / README sąrankos pagalbos.): (v/c)^(2n + 4)- jei daugiapolis yra magnetinio tipo, kur v yra būdingas šaltinių judėjimo greitis spinduliavimo sistemoje, ir c- šviesos greitis. Taigi dominuojantis momentas bus elektrinio tipo kvadrupolio momentas, o atitinkamos spinduliuotės galia lygi:
texvc nerastas; Jei reikia pagalbos dėl sąrankos, žr. math / README.): L = \frac(1)(5)\frac(G)(c^5)\left\langle \frac(d^3 Q_(ij))(dt^ 3 ) \frac(d^3 Q^(ij))(dt^3)\right\rangle,
Kur Nepavyko išanalizuoti išraiškos (vykdomasis failas texvc nerastas; Žr. matematiką / README – pagalba nustatant.): Q_(ij)- spinduliavimo sistemos masės pasiskirstymo kvadrupolio momento tenzorius. Pastovus Nepavyko išanalizuoti išraiškos (vykdomasis failas texvc nerastas; Žr. matematikos / README sąrankos pagalbą.): \frac(G)(c^5) = 2,76 \times 10^(-53)(1/W) leidžia įvertinti spinduliuotės galios dydį.
Subtilus gravitacijos poveikis
Klaida kuriant miniatiūrą: failas nerastas
Erdvės kreivumo matavimas Žemės orbitoje (menininko piešinys)
Be klasikinių gravitacinio traukos ir laiko išsiplėtimo efektų, bendroji reliatyvumo teorija numato ir kitų gravitacijos apraiškų egzistavimą, kurie antžeminėmis sąlygomis yra labai silpni, todėl juos aptikti ir eksperimentiškai patikrinti yra labai sunku. Dar visai neseniai šių sunkumų įveikimas atrodė viršijantis eksperimentuotojų galimybes.
Tarp jų visų pirma galime įvardyti inercinių atskaitos kadrų tempimą (arba objektyvo-Thirringo efektą) ir gravitomagnetinį lauką. 2005 m. NASA robotas Gravity Probe B atliko precedento neturintį tikslumo eksperimentą, siekdamas išmatuoti šiuos efektus netoli Žemės. Gautų duomenų apdorojimas buvo atliktas iki 2011 m. gegužės mėn. ir patvirtino inercinių atskaitos sistemų geodezinės precesijos ir pasipriešinimo padarinių buvimą ir mastą, nors ir kiek mažesniu nei iš pradžių manyta tikslumu.
Po intensyvaus darbo analizuojant ir išgaunant matavimo triukšmą, galutiniai misijos rezultatai buvo paskelbti spaudos konferencijoje per NASA-TV 2011 m. gegužės 4 d. ir paskelbti Physical Review Letters. Išmatuota geodezinės precesijos vertė buvo −6601,8±18,3 milisekundės lankų per metus ir įtraukimo efektas - −37,2±7,2 milisekundės lankų per metus (palyginti su teorinėmis vertėmis –6606,1 mas/metus ir −39,2 mas/metus).
Klasikinės gravitacijos teorijos
Taip pat žiūrėkite: Gravitacijos teorijosDėl to, kad kvantiniai gravitacijos efektai yra itin maži net pačiomis ekstremaliausiomis ir stebėjimo sąlygomis, patikimų jų stebėjimų vis dar nėra. Teoriniai vertinimai rodo, kad didžiąja dauguma atvejų galima apsiriboti klasikiniu gravitacinės sąveikos aprašymu.
Egzistuoja moderni kanoninė klasikinė gravitacijos teorija – bendroji reliatyvumo teorija ir daug aiškinamųjų hipotezių bei įvairaus išsivystymo laipsnio teorijų, konkuruojančių tarpusavyje. Visos šios teorijos daro labai panašias prognozes, atsižvelgiant į aproksimaciją, kurioje šiuo metu atliekami eksperimentiniai bandymai. Toliau pateikiamos kelios pagrindinės, labiausiai išvystytos arba žinomos gravitacijos teorijos.
Bendroji reliatyvumo teorija
Standartiniame bendrosios reliatyvumo teorijos (GTR) požiūriu gravitacija iš pradžių laikoma ne jėgos sąveika, o erdvės-laiko kreivumo apraiška. Taigi bendrojoje reliatyvumo teorijoje gravitacija aiškinama kaip geometrinis efektas, o erdvėlaikis nagrinėjamas neeuklido Riemano (tiksliau pseudo-Riemano) geometrijos rėmuose. Gravitacinis laukas (niutono gravitacinio potencialo apibendrinimas), kartais dar vadinamas gravitaciniu lauku, bendrojoje reliatyvumo teorijoje tapatinamas su tenzorinio metriniu lauku – keturmačio erdvėlaikio metrika, o gravitacinio lauko stiprumas – su. metrikos nulemtas afininis erdvės ir laiko ryšys.
Standartinė bendrosios reliatyvumo teorijos užduotis yra nustatyti metrinio tenzoriaus komponentus, kurie kartu apibrėžia erdvės ir laiko geometrines savybes, iš žinomo energijos-momento šaltinių pasiskirstymo nagrinėjamoje keturmatėje koordinačių sistemoje. Savo ruožtu, žinios apie metriką leidžia apskaičiuoti bandomųjų dalelių judėjimą, o tai prilygsta žinioms apie gravitacinio lauko savybes tam tikroje sistemoje. Dėl bendrosios reliatyvumo lygčių tensorinio pobūdžio ir standartinio pagrindinio jos formulavimo pagrindimo manoma, kad gravitacija taip pat yra tensorinio pobūdžio. Viena iš pasekmių yra ta, kad gravitacinė spinduliuotė turi būti bent keturpolio laipsnio.
Yra žinoma, kad bendrojoje reliatyvumo teorijoje kyla sunkumų dėl gravitacinio lauko energijos nekintamumo, nes ši energija nėra aprašyta tenzoriumi ir teoriškai gali būti nustatyta įvairiais būdais. Klasikinėje bendrojoje reliatyvumo teorijoje taip pat iškyla sukinio-orbitos sąveikos apibūdinimo problema (kadangi išplėsto objekto sukinys taip pat neturi vienareikšmio apibrėžimo). Manoma, kad yra tam tikrų problemų dėl rezultatų vienareikšmiškumo ir nuoseklumo pagrindimo (gravitacinių singuliarumų problema).
Tačiau bendrasis reliatyvumas buvo patvirtintas eksperimentiškai dar visai neseniai (2012 m.). Be to, daugelis alternatyvių Einšteino, bet šiuolaikinės fizikos standartų, gravitacijos teorijos formulavimo metodų leidžia pasiekti rezultatą, kuris sutampa su bendruoju reliatyvumu mažos energijos aproksimacijos srityje, kuri yra vienintelė dabar prieinama eksperimentiniam patikrinimui.
Einšteino-Kartano teorija
Panašus lygčių padalijimas į dvi klases vyksta ir RTG, kur įvedama antroji tenzorių lygtis, siekiant atsižvelgti į ryšį tarp neeuklido erdvės ir Minkovskio erdvės. Dėl bedimensio parametro buvimo Jordano-Branso-Dicke teorijoje tampa įmanoma jį pasirinkti taip, kad teorijos rezultatai sutaptų su gravitacinių eksperimentų rezultatais. Be to, kadangi parametras linkęs į begalybę, teorijos prognozės vis labiau artėja prie bendrosios reliatyvumo teorijos, todėl Jordano-Branso-Dicke teorijos neįmanoma paneigti jokiu eksperimentu, patvirtinančiu bendrąją reliatyvumo teoriją.
Kvantinė gravitacijos teorija
Nepaisant daugiau nei pusę amžiaus trukusių bandymų, gravitacija yra vienintelė esminė sąveika, kuriai dar nėra sukurta visuotinai pripažinta nuosekli kvantinė teorija. Esant mažoms energijoms, remiantis kvantinio lauko teorijos dvasia, gravitacinė sąveika gali būti laikoma gravitonų – sukimosi 2 gabaritų bozonų – mainais.Tačiau gauta teorija yra nenormalizuojama, todėl laikoma nepatenkinama.
Pastaraisiais dešimtmečiais buvo sukurti trys perspektyvūs gravitacijos kvantavimo problemos sprendimo būdai: stygų teorija, kilpos kvantinė gravitacija ir priežastinė dinaminė trianguliacija[[K:Wikipedia:Straipsniai be šaltinių (šalis: Lua klaida: callParserFunction: funkcija „#property“ nerasta. )]][[K:Vikipedija:Straipsniai be šaltinių (šalis: Lua klaida: callParserFunction: funkcija „#property“ nerasta. )]] [ ] .
Stygų teorija
Jame vietoj dalelių ir foninio erdvėlaikio atsiranda stygos ir jų daugiamačiai analogai – branos. Didelių matmenų problemoms spręsti branos yra didelių matmenų dalelės, bet judančių dalelių požiūriu viduješios branos, tai erdvės ir laiko struktūros. Stygų teorijos variantas yra M teorija.
Kilpinė kvantinė gravitacija
Jame bandoma suformuluoti kvantinio lauko teoriją, neatsižvelgiant į erdvės ir laiko foną; pagal šią teoriją erdvė ir laikas susideda iš atskirų dalių. Šios mažos kvantinės erdvės ląstelės tam tikru būdu yra sujungtos viena su kita, todėl mažose laiko ir ilgio mastelėse sukuria margą, diskrečią erdvės struktūrą, o dideliais sklandžiai transformuojasi į ištisinį sklandų erdvėlaikį. Nors daugelis kosmologinių modelių gali apibūdinti Visatos elgseną tik nuo Planko laikų po Didžiojo sprogimo, kilpinė kvantinė gravitacija gali apibūdinti patį sprogimo procesą ir netgi pažvelgti atgal. Kilpinė kvantinė gravitacija leidžia apibūdinti visas standartinio modelio daleles, nereikalaujant įvesti Higso bozono, kad paaiškintų jų masę.
Priežastinis dinaminis trikampis
Jame erdvės ir laiko kolektorius konstruojamas iš elementariųjų Euklido simpleksų (trikampis, tetraedras, pentachoras), kurių matmenys yra planckiškųjų eilės tvarka, atsižvelgiant į priežastingumo principą. Erdvės-laiko keturmatiškumas ir pseudoeuklidinis pobūdis makroskopinėmis mastelėmis joje nėra postuluojamas, o yra teorijos pasekmė.
Šiame skyriuje nėra pakankamai informacijos.
Principai
|
Klasika
Reliatyvistinis |
|
Straipsnio turinys
GRAVITĖ (GRAVITĖ), materijos savybė, kuri teigia, kad tarp bet kurių dviejų dalelių egzistuoja patrauklios jėgos. Gravitacija yra universali sąveika, apimanti visą stebimą Visatą ir todėl vadinama universalia. Kaip matysime vėliau, gravitacija atlieka pagrindinį vaidmenį nustatant visų astronominių kūnų struktūrą Visatoje, išskyrus mažiausius. Jis suskirsto astronominius kūnus į tokias sistemas kaip mūsų Saulės sistema arba Paukščių Takas ir yra pačios Visatos struktūros pagrindas.
„Gravitacija“ paprastai suprantama kaip jėga, kurią sukuria masyvaus kūno gravitacija, o „gravitacijos pagreitis“ yra šios jėgos sukuriamas pagreitis. (Žodis „masyvus“ čia vartojamas reikšme „turintis masę“, tačiau atitinkamas kūnas nebūtinai turi turėti labai didelę masę.) Dar siauresne prasme gravitacijos pagreitis reiškia kūno pagreitį. kūnas laisvai krentantis (nepaisant oro pasipriešinimo) ant Žemės paviršiaus . Šiuo atveju, kadangi sukasi visa „Žemės ir krintančio kūno“ sistema, veikia inercinės jėgos. Išcentrinė jėga atsveria gravitacinę jėgą ir sumažina efektyvų kūno svorį nedideliu, bet išmatuojamu kiekiu. Šis efektas nukrenta iki nulio ties ašigaliais, per kuriuos eina Žemės sukimosi ašis, o maksimumą pasiekia ties pusiauju, kur Žemės paviršius yra didžiausias atstumas nuo sukimosi ašies. Bet kuriame vietoje atliekamo eksperimento metu šios jėgos poveikis nesiskiria nuo tikrosios gravitacijos jėgos. Todėl posakis „gravitacija Žemės paviršiuje“ paprastai reiškia tikrosios gravitacijos ir išcentrinės reakcijos derinį. Patogu terminą „gravitacija“ išplėsti ir kitiems dangaus kūnams, pavyzdžiui, „gravitacija Marso planetos paviršiuje“.
Gravitacijos pagreitis Žemės paviršiuje yra 9,81 m/s 2 . Tai reiškia, kad bet kuris kūnas, laisvai krintantis šalia Žemės paviršiaus, kiekvieną kritimo sekundę padidina savo greitį (įsibėgėja) 9,81 m/s. Jei kūnas pradėjo laisvą kritimą iš ramybės būsenos, tai pirmos sekundės pabaigoje jo greitis bus 9,81 m/s, antrosios pabaigoje - 18,62 m/s ir tt.
Gravitacija kaip svarbiausias veiksnys Visatos sandaroje.
Mus supančio pasaulio struktūroje gravitacija atlieka nepaprastai svarbų, esminį vaidmenį. Palyginti su elektrinėmis traukos ir atstūmimo jėgomis tarp dviejų įkrautų elementariųjų dalelių, gravitacija yra labai silpna. Elektrostatinės jėgos ir tarp dviejų elektronų veikiančios gravitacinės jėgos santykis yra apie 4H 10 46, t.y. 4, po kurio seka 46 nuliai. Priežastis, kodėl toks didelis dydžio atotrūkis nerandamas kiekviename kasdienio gyvenimo žingsnyje, yra ta, kad vyraujanti įprastos formos materijos dalis yra elektriškai beveik neutrali, nes teigiamų ir neigiamų krūvių skaičius jos tūryje yra vienodas. Todėl didžiulės elektrinės tūrio jėgos tiesiog neturi galimybės iki galo išsivystyti. Net ir tokiose „gudrybėse“, kaip priklijuoti nutrupėjusį balioną prie lubų ir pakelti plaukus šukuojant sausą dieną, elektros krūviai atsiskiria tik nežymiai, bet to jau pakanka, kad įveiktų gravitacijos jėgas. Gravitacinės traukos jėga yra tokia maža, kad jos poveikį tarp įprastų dydžių kūnų galima išmatuoti laboratorinėmis sąlygomis tik tuo atveju, jei imamasi specialių atsargumo priemonių. Pavyzdžiui, dviejų žmonių, sveriančių 80 kg, glaudžiai vienas kitam nugaromis stovinčių žmonių, gravitacinės traukos jėga yra kelios dešimtosios dyne (mažiau nei 10 -5 N). Tokių silpnų jėgų matavimus apsunkina būtinybė jas izoliuoti nuo įvairių pašalinių jėgų, kurios gali viršyti išmatuojamą, fono.
Didėjant masėms, gravitaciniai efektai tampa labiau pastebimi ir galiausiai pradeda dominuoti visuose kituose. Įsivaizduokime sąlygas, vyraujančias viename iš mažųjų Saulės sistemos asteroidų – ant sferinio 1 km spindulio uolienų bloko. Gravitacijos jėga tokio asteroido paviršiuje yra 1/15 000 Žemės paviršiaus gravitacijos jėgos, kur gravitacijos pagreitis yra 9,81 m/s 2 . Vieną toną sverianti masė Žemės paviršiuje tokio asteroido paviršiuje svertų apie 50 g.. Kilimo greitis (kuriuo kūnas, radialiai judėdamas nuo asteroido centro, įveikia gravitacinį lauką, sukurtą pastarasis) būtų tik 1,2 m/s, arba 4 km/h (ne itin greitai einančio pėsčiojo greitis), todėl einant asteroido paviršiumi tektų vengti staigių judesių ir neviršyti nurodyto greičiu, kad neišskristų amžiams į kosmosą. Savigravitacijos vaidmuo auga, kai pereiname prie vis didesnių kūnų – Žemės, didelių planetų, tokių kaip Jupiteris, ir galiausiai prie tokių žvaigždžių kaip Saulė. Taigi savaiminė gravitacija išlaiko skystosios Žemės šerdies sferinę formą ir ją supančios kietos mantijos, taip pat žemės atmosferos formą. Tarpmolekulinės sanglaudos jėgos, laikančios kartu kietųjų medžiagų ir skysčių daleles, nebėra veiksmingos kosminiu mastu, ir tik savigravitacija leidžia tokiems milžiniškiems dujų rutuliams kaip žvaigždės egzistuoti kaip visuma. Be gravitacijos šių kūnų tiesiog nebūtų, kaip ir gyvybei tinkamų pasaulių.
Pereinant į dar didesnius mastelius, gravitacija suskirsto atskirus dangaus kūnus į sistemas. Tokių sistemų dydžiai skiriasi – nuo santykinai mažų (astronominiu požiūriu) ir paprastų sistemų, tokių kaip Žemės ir Mėnulio sistema, Saulės sistema ir dvigubos ar kelios žvaigždės, iki didelių žvaigždžių spiečių, kuriose yra šimtai tūkstančių žvaigždžių. Atskirų žvaigždžių spiečiaus „gyvybė“ arba evoliucija gali būti vertinama kaip pusiausvyros veiksmas tarp žvaigždžių abipusio skirtumo ir gravitacijos, kuri linkusi laikyti spiečius kartu kaip visumą. Kartkartėmis žvaigždė, judanti kitų žvaigždžių kryptimi, iš jų įgauna pagreitį ir greitį, leisdama išskristi iš spiečiaus ir palikti jį amžiams. Likusios žvaigždės sudaro dar tvirtesnį spiečius, o gravitacija jas sujungia dar tvirčiau nei anksčiau. Gravitacija taip pat padeda išlaikyti dujų ir dulkių debesis kartu kosmose, o kartais net suspaudžia juos į kompaktiškus ir daugiau ar mažiau sferinius medžiagos gumulėlius. Tamsūs daugelio šių objektų siluetai matomi šviesesniame Paukščių Tako fone. Pagal šiandien priimtą žvaigždžių formavimosi teoriją, jei tokio objekto masė yra pakankamai didelė, tai slėgis jo gelmėse pasiekia tokį lygį, kuriam pasiekus tampa įmanomos branduolinės reakcijos, o tankus medžiagos gumulas virsta žvaigžde. Astronomai sugebėjo gauti vaizdų, patvirtinančių žvaigždžių susidarymą tose kosmoso vietose, kur anksčiau buvo stebimi tik materijos debesys, o tai liudija esamos teorijos naudai.
Gravitacija vaidina gyvybiškai svarbų vaidmenį visose teorijose apie Visatos atsiradimą, vystymąsi ir struktūrą. Beveik visi jie yra pagrįsti bendrąja reliatyvumo teorija. Šioje teorijoje, kurią Einšteinas sukūrė XX amžiaus pradžioje, gravitacija laikoma keturmatės erdvės ir laiko geometrijos savybe, kaip kažkas panašaus į sferinio paviršiaus kreivumą, apibendrintą didesniam matmenų skaičiui. . Erdvės-laiko „kreivumas“ glaudžiai susijęs su materijos pasiskirstymu joje.
Visos kosmologinės teorijos pripažįsta, kad gravitacija yra bet kokios rūšies materijos savybė, pasireiškianti visur Visatoje, nors jokiu būdu nėra manoma, kad gravitacijos sukuriami efektai visur yra vienodi. Pavyzdžiui, gravitacinė konstanta G(kurį aptarsime toliau) gali skirtis priklausomai nuo vietos ir laiko, nors kol kas nėra tiesioginių stebėjimų duomenų, kurie tai patvirtintų. Gravitacijos konstanta G– viena iš mūsų pasaulio fizinių konstantų, kaip ir šviesos greitis ar elektrono ar protono elektros krūvis. Šiuolaikiniai eksperimentiniai metodai leidžia išmatuoti šią konstantą tokiu tikslumu, kad jos vertė nepriklauso nuo to, kokia medžiaga sukuria gravitaciją. Svarbu tik masė. Masę galima suprasti dvejopai: kaip gebėjimo pritraukti kitus kūnus matas – ši savybė turima galvoje, kai jie kalba apie sunkiąją (gravitacinę) masę – arba kaip kūno atsparumo bandymams ją pagreitinti (nustatyti) matas. judant, jei kūnas yra ramybės būsenoje, sustoti, jei kūnas juda, arba pakeisti savo trajektoriją), - ši masės savybė turima omenyje, kai kalbama apie inercinę masę. Intuityviai atrodo, kad šie du masių tipai nėra ta pati materijos savybė, tačiau bendroji reliatyvumo teorija postuluoja jų tapatybę ir kuria pasaulio vaizdą, remdamasi šiuo postulatu.
Gravitacija turi dar vieną savybę; Atrodo, kad nėra jokio kito būdo, kaip atsikratyti gravitacijos padarinių, išskyrus tolimą nuo visos materijos begaliniu atstumu. Jokia žinoma medžiaga neturi neigiamos masės, t.y. savybė būti atstumtam gravitacinio lauko. Net antimedžiaga (pozitronai, antiprotonai ir kt.) turi teigiamą masę. Neįmanoma atsikratyti gravitacijos kažkokio ekrano pagalba, kaip su elektriniu lauku. Mėnulio užtemimų metu Mėnulį „apsaugo“ Žemė nuo Saulės traukos, o tokio ekranavimo efektas kauptųsi nuo vieno užtemimo iki kito, tačiau taip nėra.
Idėjų apie gravitaciją istorija.
Kaip parodyta aukščiau, gravitacija yra viena iš labiausiai paplitusių materijos sąveikų su medžiaga ir tuo pat metu viena paslaptingiausių ir paslaptingiausių. Šiuolaikinės teorijos nė kiek nepriartėjo prie gravitacijos reiškinio paaiškinimo.
Nepaisant to, gravitacija visada buvo tiesiogiai arba netiesiogiai susipynusi su kosmologija, todėl jos yra neatskiriamos. Pirmosios kosmologijos, tokios kaip Aristotelio ir Ptolemėjo, gyvavo iki XVIII a. didžiąja dalimi dėl šių mąstytojų autoriteto jie vargu ar buvo kas kita, kaip naivių senolių pažiūrų susisteminimas. Šiose kosmologijose materija buvo suskirstyta į keturias klases arba „elementus“: žemę, vandenį, orą ir ugnį (nuo sunkiausio iki lengviausio). Žodžiai „gravitacija“ iš pradžių reiškė tiesiog „sunkumą“; objektai, sudaryti iš elemento „žemė“, turėjo „sunkumo“ savybę labiau nei objektai, susidedantys iš kitų elementų. Natūrali sunkiųjų objektų vieta buvo Žemės centras, kuris buvo laikomas visatos centru. Elementas „ugnis“ buvo apdovanotas mažiausiai „sunkumo“; Be to, ugnis pasižymėjo savotiška neigiama gravitacija, kurios poveikis pasireiškė ne gravitacija, o „levitacija“. Natūrali vieta ugniai buvo išorinės žemiškosios pasaulio dalies ribos. Naujausiose šios teorijos versijose buvo teigiama, kad egzistuoja penktoji esybė („kvintesencija“, kartais vadinama „eteriu“, kuri buvo laisva nuo gravitacijos poveikio). Taip pat buvo teigiama, kad dangaus kūnai susideda iš kvintesencijos. Jei žemiškasis kūnas kažkaip atsidūrė ne savo natūralioje vietoje, tai jis siekė ten sugrįžti natūraliu judėjimu, būdingu jam taip pat, kaip gyvūnui būdingas kryptingas judėjimas kojomis ar sparnais. Tai, kas išdėstyta aukščiau, galioja akmens judėjimui erdvėje, burbului vandenyje ir liepsnai ore.
Galilėjus (1564–1642), tyrinėdamas kūnų judėjimą veikiant gravitacijai, atrado, kad švytuoklės svyravimo periodas nepriklauso nuo to, ar pradinis švytuoklės nuokrypis nuo pusiausvyros padėties buvo didelis ar mažas. „Galileo“ taip pat eksperimentiškai nustatė, kad nesant oro pasipriešinimo sunkūs ir lengvi kūnai nukrenta ant žemės tokiu pat pagreičiu. (Aristotelis teigė, kad sunkieji kūnai krenta greičiau nei lengvieji, ir kuo greičiau, tuo jie sunkesni.) Galiausiai Galilėjus išreiškė gravitacijos pagreičio pastovumo idėją ir suformulavo teiginius, kurie iš esmės yra Niutono dėsnių pirmtakai. judėjimo. Tai buvo Galilėjus pirmasis, kuris suprato, kad kūnui, kurio neveikia jokios jėgos, vienodas linijinis judėjimas yra toks pat natūralus kaip ir ramybės būsena.
Puikiam anglų matematikui I. Newtonui (1643–1727) teko suvienyti skirtingus fragmentus ir sukurti logišką bei nuoseklią teoriją. Šie išsibarstę fragmentai buvo sukurti daugelio tyrinėtojų pastangomis. Štai heliocentrinė Koperniko teorija, kurią Galilėjus, Kepleris ir kiti suvokė kaip tikrą fizinį pasaulio modelį; ir Brahės detalūs ir tikslūs astronominiai stebėjimai; ir koncentruota šių stebėjimų išraiška trijuose Keplerio planetų judėjimo dėsniuose; ir Galilėjaus pradėtas darbas, skirtas formuluoti mechanikos dėsnius remiantis aiškiai apibrėžtomis sąvokomis, taip pat hipotezėmis ir daliniais problemų sprendimais, kuriuos rado Niutono amžininkai, tokie kaip H. Huygensas, R. Hooke'as ir E. Halley. Kad pasiektų savo nuostabią sintezę, Niutonas turėjo baigti kurti naują matematiką, vadinamą diferencialiniu ir integraliniu skaičiavimu. Lygiagrečiai su Newtonu, jo amžininkas G. Leibnicas savarankiškai dirbo kurdamas diferencialinį ir integralinį skaičiavimą.
Nors Voltero anekdotas apie obuolį, nukritusį Niutono galvai, greičiausiai yra netiesa, vis dėlto jis tam tikru mastu apibūdina mąstymo tipą, kurį Niutonas demonstravo savo požiūriu į gravitacijos problemą. Niutonas atkakliai klausinėjo: „Ar jėga, kuri išlaiko Mėnulį savo orbitoje, kai jis juda aplink Žemę, yra ta pati jėga, dėl kurios kūnai krenta į Žemės paviršių? Kokio intensyvumo turėtų būti Žemės gravitacija, kad Mėnulio orbitą išlenktų taip, kaip ji iš tikrųjų daro? Norėdamas rasti atsakymą į šiuos klausimus, Niutonas visų pirma turėjo apibrėžti jėgos sąvoką, kuri apimtų ir veiksnį, dėl kurio kūnas nukrypsta nuo pradinės judėjimo trajektorijos, o ne tik greitėja ar lėtėja judant aukštyn ar žemyn. . Niutonas taip pat turėjo tiksliai žinoti Žemės dydį ir atstumą nuo Žemės iki Mėnulio. Jis manė, kad gravitacijos sukuriama trauka mažėja didėjant atstumui nuo traukiančio kūno kaip atvirkštinis atstumo kvadratas, t.y. didėjant atstumui. Šios išvados apie žiedines orbitas teisingumą galima lengvai nustatyti iš Keplerio dėsnių, nesiimant diferencialinio skaičiavimo. Galiausiai, kai 1660 m., Piccard'as atliko šiaurinių Prancūzijos regionų geodezinį tyrimą (vieną pirmųjų geodezinių tyrimų), jam pavyko išsiaiškinti vieno platumos laipsnio ilgio reikšmę žemės paviršiuje, todėl jis galima tiksliau nustatyti Žemės dydį ir atstumą nuo Žemės iki Mėnulio. Picardo matavimai dar labiau sustiprino Niutono įsitikinimą, kad jis eina teisingu keliu. Galiausiai, 1686–1687 m., atsiliepdamas į neseniai susikūrusios Karališkosios draugijos prašymą, Niutonas paskelbė savo garsiąją Matematiniai gamtos filosofijos principai (Natūralios filosofijos matematikos principai), kuris pažymėjo šiuolaikinės mechanikos gimimą. Šiame darbe Niutonas suformulavo savo garsųjį visuotinės gravitacijos dėsnį; šiuolaikinėje algebrinėje žymėjime šis dėsnis išreiškiamas formule
Kur F– traukos jėga tarp dviejų materialių kūnų, turinčių mases M 1 ir M 2, a R– atstumas tarp šių kūnų. Koeficientas G vadinama gravitacine konstanta. Metrinėje sistemoje masė matuojama kilogramais, atstumas – metrais, jėga – niutonais ir gravitacinė konstanta. G turi prasmę G= 6,67259H 10 –11 m 3 H kg –1 H s –2. Gravitacinės konstantos mažumas paaiškina tai, kad gravitaciniai efektai tampa pastebimi tik esant didelei kūnų masei.
Naudodamas matematinės analizės metodus, Niutonas parodė, kad sferinis kūnas, pavyzdžiui, Mėnulis, Saulė ar planeta, sukuria gravitaciją taip pat, kaip ir materialus taškas, esantis sferos centre ir turintis lygiavertę masę. Diferencialinis ir integralinis skaičiavimas leido tiek pačiam Niutonui, tiek jo pasekėjams sėkmingai išspręsti naujas uždavinių klases, pavyzdžiui, atvirkštinę jėgos nustatymo iš netolygaus ar kreivinio kūno judesio, judančio jo įtakoje, problemą; numatyti kūno greitį ir padėtį bet kuriuo metu ateityje, jei žinoma jėga kaip padėties funkcija; Išspręskite bet kurio kūno (nebūtinai sferinio) suminės traukos jėgos bet kuriame erdvės taške problemą. Nauji galingi matematiniai įrankiai atvėrė kelią daugeliui sudėtingų, anksčiau neišsprendžiamų ne tik gravitacinių, bet ir kitų sričių problemų.
Niutonas taip pat parodė, kad dėl 24 valandų sukimosi aplink savo ašį periodo Žemė neturėtų turėti griežtai sferinės, o šiek tiek suplotos formos. Niutono tyrimų pasekmės šioje srityje veda mus į gravimetrijos sritį – mokslą, susijusį su gravitacijos jėgos matavimu ir interpretavimu Žemės paviršiuje.
Ilgalaikis veiksmas.
Tačiau niutono kalba Pradžios yra erdvė. Faktas yra tas, kad apibrėžęs gravitacijos jėgą ir suteikęs ją apibūdinančią matematinę išraišką, Niutonas nepaaiškino, kas yra gravitacija ir kaip ji veikia. Klausimai, kurie sukėlė ir tebekelia daug ginčų nuo XVIII a. dar visai neseniai yra taip: kaip vienoje vietoje esantis kūnas (pavyzdžiui, Saulė) pritraukia kitoje vietoje esantį kūną (pavyzdžiui, Žemę), jei tarp kūnų nėra materialaus ryšio? Kaip greitai sklinda gravitaciniai efektai? Iškart? Šviesos ir kitų elektromagnetinių virpesių greičiu ar kokiu kitu greičiu? Niutonas netikėjo galimybe veikti per atstumą; jis tiesiog atliko skaičiavimus taip, tarsi atvirkštinės proporcingumo atstumo kvadratui dėsnis būtų priimtas faktas. Daugelis, įskaitant Leibnicą, vyskupą Berkeley ir Descartes'o pasekėjus, sutiko su Niutono požiūriu, bet buvo įsitikinę, kad reiškiniai, atskirti erdvėje nuo juos sukeliančių priežasčių, neįsivaizduojami be kažkokio fizinio tarpininko, kuris užbaigia priežastį. - efekto santykiai tarp jų.
Vėliau visus šiuos ir kitus klausimus paveldėjo panašios teorijos, aiškinančios šviesos sklidimą. Šviečianti terpė buvo vadinama eteriu, ir, sekdami ankstesniais filosofais, ypač Dekartu, fizikai priėjo prie išvados, kad gravitacinės (taip pat elektrinės ir magnetinės) jėgos eteryje perduodamos kaip tam tikras slėgis. Ir tik tada, kai visi bandymai suformuluoti nuoseklią eterio teoriją buvo nesėkmingi, paaiškėjo, kad nors eteris pateikė atsakymą į klausimą, kaip veiksmas atliekamas per atstumą, šis atsakymas nebuvo teisingas.
Lauko teorija ir reliatyvumas.
A. Einšteinui (1879–1955) teko suburti išsibarsčiusius teorijų fragmentus, išvaryti eterį ir postuluoti, kad realybėje nėra nei absoliučios erdvės, nei absoliutaus laiko, nes nė vienas eksperimentas nepatvirtina jų egzistavimo. Čia jo vaidmuo buvo panašus į Niutono vaidmenį. Kad sukurtų savo teoriją, Einšteinui, kaip kadaise Niutonui, reikėjo naujos matematikos – tenzorinės analizės.
Tai, ką Einšteinas sugebėjo padaryti, tam tikru mastu yra naujo mąstymo, susiformavusio XIX amžiuje, pasekmė. ir siejamas su lauko sampratos atsiradimu. Laukas ta prasme, kuria šiuolaikinis teorinis fizikas vartoja šį terminą, yra idealizuotos erdvės sritis, kurioje, nurodant tam tikrą koordinačių sistemą, taškų padėtys nurodomos kartu su fizikiniu dydžiu arba tam tikra dydžių rinkiniu, priklausomai nuo šias pareigas. Judant iš vieno erdvės taško į kitą, gretimą, jis turėtų sklandžiai (nuolat) mažėti arba didėti, taip pat laikui bėgant gali keistis. Pavyzdžiui, vandens greitis upėje skiriasi ir priklausomai nuo gylio, ir nuo kranto iki kranto; prie krosnelės temperatūra patalpoje aukštesnė; apšvietimo intensyvumas (ryškumas) mažėja didėjant atstumui nuo šviesos šaltinio. Tai visi laukų pavyzdžiai. Fizikai laukus laiko tikrais dalykais. Grįsdami savo požiūrį, jie remiasi fizikiniu argumentu: šviesos, šilumos ar elektros krūvio suvokimas yra toks pat realus kaip ir fizinio objekto, kurio egzistavimu visi yra įsitikinę tuo pagrindu, kad jis gali būti palietė, pajuto ar pamatė. Be to, eksperimentai, pavyzdžiui, su išsibarsčiusiomis geležies drožlėmis šalia magneto, jų išlygiavimas išilgai tam tikros lenktų linijų sistemos daro magnetinį lauką tiesiogiai suvokiamą tiek, kad niekas neabejotų, kad aplink magnetą yra „kažkas“ pašalinus geležies drožles . Magnetinės „lauko linijos“, kaip jas pavadino Faradėjus, sudaro magnetinį lauką.
Iki šiol vengėme paminėti gravitacinį lauką. Gravitacijos pagreitis gŽemės paviršiuje, kuris keičiasi iš taško į tašką žemės paviršiuje ir mažėja didėjant aukščiui, yra toks laukas. Tačiau didelė pažanga, kurią padarė Einšteinas, nebuvo manipuliavimas mūsų kasdienės patirties gravitaciniu lauku.
Užuot sekęs Fitzgeraldą ir Lorentzą ir svarstydamas apie visur esančio eterio ir per jį judančių matavimo strypų ir laikrodžių sąveiką, Einšteinas pristatė fizinį postulatą, pagal kurį bet kuris stebėtojas A kas matuoja šviesos greitį naudodamas matavimo strypus ir laikrodį, kurį nešiojasi su savimi, visada gaus tą patį rezultatą c= 3H 10 8 m/s, nesvarbu, kaip greitai stebėtojas juda; bet kurio kito stebėtojo matavimo strypai IN, judantis giminaitis A su greičiu v, žiūrės į stebėtoją A sumažintas kartus; stebėtojo laikrodis INžiūrės į stebėtoją A vaikščioti kelis kartus lėčiau; santykiai tarp stebėtojų A Ir IN yra tiksliai abipusiai, todėl stebėtojo matavimo strypai A o jo laikrodis bus stebėtojui IN atitinkamai vienodai trumpesnis ir judantis lėčiau; Kiekvienas iš stebėtojų gali laikyti save nejudančiu, o kitą – judančiu. Dar viena dalinės (specialiosios) reliatyvumo teorijos pasekmė buvo ta masė m greičiu judantis kūnas v stebėtojo atžvilgiu padidėja (stebėtojui) ir tampa lygus , kur m 0 – to paties kūno masė, judančio stebėtojo atžvilgiu labai lėtai. Judančio kūno inercinės masės padidėjimas reiškė, kad ne tik judėjimo energija (kinetinė energija), bet ir visa energija turi inercinę masę, o jei energija turi inercinę masę, tada ji turi ir sunkiąją masę, todėl jai priklauso gravitaciniai efektai. Be to, kaip dabar gerai žinoma, tam tikromis sąlygomis masę galima paversti energija branduoliniuose procesuose. (Turbūt tiksliau būtų kalbėti apie energijos išlaisvinimą.) Jei priimtos prielaidos yra teisingos (ir dabar turime visas priežastis tokiam pasitikėjimui), tai masė ir energija yra skirtingi tos pačios esminės esmės aspektai. .
Aukščiau pateikta formulė taip pat rodo, kad nei vienas materialus kūnas ir nei vienas energiją nešantis objektas (pavyzdžiui, banga) negali judėti stebėtojo atžvilgiu greičiau nei šviesos greitis. Su, nes antraip tokiam judėjimui prireiktų be galo daugiau energijos. Vadinasi, gravitaciniai efektai turi sklisti šviesos greičiu (argumentai tam buvo pateikti dar prieš sukuriant reliatyvumo teoriją). Tokių gravitacinių reiškinių pavyzdžiai vėliau buvo atrasti ir įtraukti į bendrąją teoriją.
Esant vienodam ir tiesiam santykiniam judėjimui, stebimi matavimo strypų susitraukimai ir laikrodžio sulėtėjimas veda prie dalinės reliatyvumo teorijos. Vėliau šios teorijos sąvokos buvo apibendrintos iki pagreitinto santykinio judėjimo, todėl reikėjo įvesti kitą postulatą – vadinamąjį ekvivalentiškumo principą, kuris leido į modelį įtraukti gravitaciją, kurios dalinėje reliatyvumo teorijoje nebuvo.
Ilgą laiką buvo tikima, o XIX amžiaus pabaigoje atlikti labai kruopštūs matavimai. Vengrų fizikas L. Eotvosas patvirtino, kad eksperimentinės paklaidos ribose sunkiosios ir inertinės masės yra skaitiniu požiūriu lygios. (Prisiminkime, kad sunki kūno masė yra jėgos, kuria šis kūnas traukia kitus kūnus, matas, o inercinė masė yra kūno pasipriešinimo pagreičiui matas.) Tuo pačiu metu laisvai krintančių kūnų pagreitis būtų matuojamas. negali būti visiškai nepriklausomi nuo jų masės, jei inercija ir sunkus kūno svoris nebuvo visiškai vienodi. Einšteinas teigė, kad šie du masės tipai, kurie atrodo skirtingi, nes matuojami skirtingais eksperimentais, iš tikrųjų yra tas pats dalykas. Iš karto išplaukia, kad nėra jokio fizinio skirtumo tarp gravitacijos jėgos, kurią jaučiame ant kojų padais, ir inercijos jėgos, kuri automobiliui įsibėgėjus sviedžia mus atgal į sėdynę arba spaudžia į priekį. stabdžiai. Įsivaizduokime mintyse (kaip padarė Einšteinas) uždarą patalpą, pavyzdžiui, liftą ar erdvėlaivį, kuriame galime tyrinėti kūnų judėjimą. Kosmose, pakankamai dideliu atstumu nuo bet kokios masyvios žvaigždės ar planetos, kad jų gravitacija nepaveiktų šioje uždaroje patalpoje esančių kūnų, bet koks iš rankų išleistas objektas nenukristų ant grindų, o toliau plūduriuotų ore. , judėdamas ta pačia kryptimi, kuria judėjo, kai buvo paleistas iš rankų. Visi objektai turėtų masę, bet ne svorį. Gravitaciniame lauke šalia Žemės paviršiaus kūnai turi ir masę, ir svorį. Jei juos paleisite, jie nukris ant žemės. Bet jei, pavyzdžiui, liftas nukristų laisvai, nepatirdamas jokio pasipriešinimo, tai lifte esantys objektai stebėtojui lifte atrodytų nesvarūs, o paleidus kokius nors objektus, jie nenukristų ant grindų. Rezultatas būtų toks pat, tarsi viskas atsitiktų kosmose, toli nuo kūnų pritraukimo, ir joks eksperimentas negalėtų parodyti stebėtojui, kad jis yra laisvo kritimo būsenoje. Žvelgdamas pro langą ir pamatęs Žemę kažkur toli žemiau savęs, stebėtojas galėtų pasakyti, kad Žemė veržiasi link jo. Tačiau stebėtojo Žemėje požiūriu, tiek liftas, tiek visi jame esantys objektai krenta vienodai greitai, todėl krintantys objektai neatsilieka nuo lifto ar jo neaplenkia, todėl nesiartina prie jo aukšto, link kurio jie krenta.
Dabar įsivaizduokime erdvėlaivį, kuris vis didesniu greičiu pakeliamas į kosmosą nešančiosios raketos. Jei astronautas erdvėlaivyje paleidžia objektą iš savo rankų, tada objektas (kaip ir anksčiau) ir toliau judės per erdvę tokiu greičiu, kokiu buvo paleistas, tačiau kadangi erdvėlaivio grindys dabar juda greičiau link objekto, viskas atrodys taip, lyg objektas nukristų. Be to, astronautas jaustų jėgą, veikiančią jo kojas ir galėtų ją interpretuoti kaip gravitacijos jėgą, o joks eksperimentas, kurį jis negalėtų atlikti būdamas kylančiame erdvėlaivyje, tokiai interpretacijai neprieštarautų.
Einšteino lygiavertiškumo principas tiesiog sulygina šias dvi iš pažiūros visiškai skirtingas situacijas ir teigia, kad gravitacija ir inercijos jėgos yra tas pats dalykas. Pagrindinis skirtumas yra tas, kad pakankamai didelėje srityje inercinė jėga (pvz., išcentrinė jėga) gali būti pašalinta tinkamai transformuojant atskaitos sistemą (pavyzdžiui, išcentrinė jėga veikia tik besisukančioje koordinačių sistemoje ir gali būti pašalinta pereinant į nesisukantį atskaitos kadrą). Kalbant apie gravitacijos jėgą, pereinant prie kitos atskaitos sistemos (laisvai krintančios), jos atsikratyti galima tik lokaliai. Psichiškai įsivaizduodami visą Žemę kaip visumą, mes norime laikyti ją nejudančia, manydami, kad kūnus, esančius Žemės paviršiuje, veikia gravitacinės jėgos, o ne inercijos jėgos. Priešingu atveju turėtume manyti, kad Žemės paviršius visuose taškuose yra pagreitintas į išorę ir kad Žemė, plečiasi kaip pripūstas balionas, spaudžia mūsų kojų padus. Šis požiūris, gana priimtinas dinamikos požiūriu, yra neteisingas įprastos geometrijos požiūriu. Tačiau bendrosios reliatyvumo teorijos rėmuose abu požiūriai yra vienodai priimtini.
Geometrija, gauta matuojant ilgius ir laiko intervalus, laisvai transformuojama iš vienos greitėjančios atskaitos sistemos į kitą, pasirodo esanti lenkta geometrija, labai panaši į sferinių paviršių geometriją, bet apibendrinta keturių matmenų atveju. erdvinis ir vienkartinis – taip pat, kaip ir specialiojoje reliatyvumo teorijoje. Erdvės laiko kreivumas arba deformacija yra ne tik kalbos figūra, bet kažkas daugiau, nes jį lemia atstumų tarp taškų matavimo metodas ir laiko intervalų tarp įvykių šiuose taškuose trukmė. Kad erdvėlaikio kreivumas yra tikras fizinis efektas, geriausiai gali parodyti keli pavyzdžiai.
Remiantis reliatyvumo teorija, šviesos spindulys, einantis šalia didelės masės, yra išlenktas. Tai atsitinka, pavyzdžiui, kai šviesos spindulys iš tolimos žvaigždės praeina šalia saulės disko krašto. Tačiau lenktas šviesos spindulys ir toliau yra trumpiausias atstumas nuo žvaigždės iki stebėtojo akies. Šis teiginys teisingas dviem prasmėmis. Tradiciniame reliatyvistinės matematikos žymėjime – tiesios linijos atkarpa dS, skiriantis du gretimus taškus, apskaičiuojamas naudojant įprastos Euklido geometrijos Pitagoro teoremą, t.y. pagal formulę dS 2 = dx 2 + dy 2 + dz 2. Erdvės taškas kartu su laiko momentu vadinamas įvykiu, o atstumas erdvėje, skiriantis du įvykius – intervalu. Norėdami nustatyti intervalą tarp dviejų įvykių, laiko dimensiją t jungiasi su trimis erdvinėmis koordinatėmis x, y, z tokiu būdu. Laiko skirtumas tarp dviejų įvykių dt konvertuoti į erdvinį atstumą Su H dt padaugintas iš šviesos greičio Su(pastovus visiems stebėtojams). Gautas rezultatas turėtų būti suderinamas su Lorenco transformacija, iš kurios išplaukia, kad judančio stebėtojo matavimo strypas susitraukia, o laikrodis sulėtėja pagal išraišką . Lorenco transformacija turėtų būti taikoma ir ribiniu atveju, kai stebėtojas juda kartu su šviesos banga, o jo laikrodis yra sustabdytas (t. dt= 0), o pats nelaiko savęs judančiu (t.y. dS= 0), taigi
(Intervalas) 2 = dS 2 = dx 2 + dy 2 + dz 2 – (c H dt) 2 .
Pagrindinis šios formulės bruožas yra tas, kad laiko termino ženklas yra priešingas erdvinių terminų ženklui. Be to, išilgai šviesos pluošto visiems stebėtojams, judantiems kartu su spinduliu, turime dS 2 = 0 ir, remiantis reliatyvumo teorija, visi kiti stebėtojai turėjo gauti tą patį rezultatą. Šia pirmąja (erdviniu-laikiniu) prasme dS– minimalus erdvės ir laiko atstumas. Bet antrąja prasme, nes šviesa keliauja tuo keliu, kuriam reikia mažiausiai laiko, kad pasiektų galutinį tikslą pagal bet kurį valandų, skaitinės erdvės ir laiko intervalų reikšmės šviesos pluoštui yra minimalios.
Visi aukščiau pateikti svarstymai susiję su įvykiais, kuriuos skiria tik nedideli atstumai ir laikas; kitaip tariant, dx, dy, dz Ir dt– nedideliais kiekiais. Tačiau rezultatus galima nesunkiai apibendrinti į išplėstas trajektorijas, naudojant integralinio skaičiavimo metodą, kurio esmė yra visų šių be galo mažų intervalų sumavimas visame kelyje nuo taško iki taško.
Samprotaudami toliau, mintyse įsivaizduokime erdvėlaikį, suskirstytą į keturių dimensijų ląsteles, kaip dvimatis žemėlapis yra padalintas į dvimačius kvadratus. Tokios keturmatės ląstelės kraštinė lygi laiko arba atstumo vienetui. Erdvėje be lauko tinklelis susideda iš tiesių linijų, susikertančių stačiu kampu, tačiau gravitaciniame lauke, esančiame šalia masės, tinklelio linijos yra išlenktos, nors jos taip pat susikerta stačiu kampu, kaip lygiagretės ir dienovidiniai ant žemės rutulio. Šiuo atveju tinklelio linijos atrodo išlenktos tik išoriniam stebėtojui, kurio matmenų skaičius yra didesnis nei tinklelio matmenų skaičius. Mes egzistuojame trimatėje erdvėje ir žiūrėdami į žemėlapį ar diagramą galime suvokti jį trimatėje erdvėje. Šiame tinklelyje esantis subjektas, pavyzdžiui, mikroskopinis padaras ant gaublio, kuris neįsivaizduoja, kas yra aukštyn ar žemyn, negali tiesiogiai suvokti Žemės rutulio kreivumo ir turėtų atlikti matavimus ir pamatyti, kokia geometrija atsiranda iš jo. rezultatų matmenų visuma – ar tai būtų euklidinė geometrija, atitinkanti plokščią popieriaus lapą, ar lenkta geometrija, atitinkanti sferos ar kokį kitą lenktą paviršių. Lygiai taip pat negalime matyti mus supančio erdvėlaikio kreivumo, tačiau analizuodami savo matavimų rezultatus galime atrasti ypatingas geometrines savybes, kurios yra visiškai panašios į tikrąjį kreivumą.
Dabar įsivaizduokite didžiulį trikampį laisvoje erdvėje, kurio kraštinės yra trys tiesios linijos. Jei tokio trikampio viduje dedama masė, erdvė (t. y. keturmatė koordinačių tinklelis, atskleidžianti jos geometrinę struktūrą) šiek tiek išsipūstų taip, kad trikampio vidinių kampų suma taps didesnė nei nesant masės. Panašiai laisvoje erdvėje galite įsivaizduoti milžinišką apskritimą, kurio ilgį ir skersmenį išmatavote labai tiksliai. Jūs atradote, kad apskritimo ir skersmens santykis yra lygus skaičiui p(jei laisva erdvė yra euklido). Padėkite didelę masę apskritimo centre ir pakartokite matavimus. Perimetro ir skersmens santykis taps mažesnis p, nors matavimo strypas (žiūrint iš tam tikro atstumo) atrodys, kad susitrauks ir paklojus išilgai perimetro, ir tiesiant išilgai skersmens, pačių susitraukimų dydis skirsis.
Kreivinėje geometrijoje kreivė, jungianti du taškus ir kuri yra trumpiausia tarp visų tokio pobūdžio kreivių, vadinama geodezine. Bendrosios reliatyvumo teorijos keturmatėje kreivinėje geometrijoje šviesos spindulių trajektorijos sudaro vieną geodezijos klasę. Pasirodo, bet kurios laisvosios dalelės (kurios neveikia jokia kontaktinė jėga) trajektorija taip pat yra geodezinė, bet bendresnės klasės. Pavyzdžiui, planeta, laisvai judanti savo orbita aplink Saulę, juda palei geodezinį tašką taip pat, kaip anksčiau aptartame pavyzdyje laisvai krintantis liftas. Geodezika yra Niutono mechanikos tiesių linijų analogai erdvės ir laiko atžvilgiu. Kūnai tiesiog juda savo natūraliais išlenktais takais – mažiausio pasipriešinimo linijomis, todėl nereikia pasitelkti „jėgos“, kad paaiškintų tokį kūno elgesį. Kūnus, esančius Žemės paviršiuje, veikia tiesioginio sąlyčio su Žeme kontaktinė jėga, ir šiuo požiūriu galime manyti, kad Žemė juos išstumia iš geodezinių orbitų. Vadinasi, kūnų trajektorijos Žemės paviršiuje nėra geodezinės.
Taigi gravitacija buvo sumažinta iki geometrinės fizinės erdvės savybės, o gravitacinis laukas buvo pakeistas „metriniu lauku“. Kaip ir kiti laukai, metrinis laukas yra skaičių rinkinys (iš viso dešimt), kurie skiriasi nuo taško ir kartu apibūdina vietinę geometriją. Naudojant šiuos skaičius, visų pirma galima nustatyti, kaip ir kokia kryptimi yra išlenktas metrinis laukas.
Bendrosios reliatyvumo teorijos pasekmės.
Kita bendrosios reliatyvumo prognozė, atsirandanti dėl lygiavertiškumo principo, yra vadinamasis gravitacinis raudonasis poslinkis, t.y. spinduliuotės, ateinančios pas mus iš mažesnio gravitacinio potencialo srities, dažnio sumažėjimas. Nors literatūroje yra daug pasiūlymų, kad raudonai pasislinkusi šviesa sklinda iš itin tankių žvaigždžių paviršiaus, vis dar nėra įtikinamų įrodymų, todėl klausimas lieka atviras. Tokio poslinkio poveikis iš tikrųjų buvo pastebėtas laboratorinėmis sąlygomis – tarp bokšto viršaus ir pagrindo. Šie eksperimentai naudojo Žemės gravitacinį lauką ir griežtai monochromatinę gama spinduliuotę, kurią skleidžia kristalinėje gardelėje surišti atomai (Mössbauer efektas). Norint paaiškinti šį reiškinį, lengviausia pasukti į hipotetinį liftą, kurio viršuje yra šviesos šaltinis, o apačioje – imtuvas, arba atvirkščiai. Stebimas poslinkis tiksliai sutampa su Doplerio poslinkiu, atitinkančiu papildomą imtuvo greitį signalo atvykimo momentu, lyginant su šaltinio greičiu signalo skleidimo momentu. Šis papildomas greitis atsiranda dėl įsibėgėjimo signalo perdavimo metu.
Kitas beveik iš karto priimtas bendrosios reliatyvumo teorijos spėjimas yra susijęs su Merkurijaus planetos judėjimu aplink Saulę (ir, kiek mažesniu mastu, su kitų planetų judėjimu). Merkurijaus orbitos perihelis, t.y. orbitos taškas, kuriame planeta yra arčiausiai Saulės, pasislenka 574 I per šimtmetį ir užbaigia visą apsisukimą per 226 000 metų. Niutono mechanika, atsižvelgdama į visų žinomų planetų gravitacinį poveikį, galėjo paaiškinti perihelio poslinkį tik 532І per šimtmetį. 42 lanko sekundžių skirtumas, nors ir nedidelis, vis tiek yra daug didesnis už bet kokią galimą klaidą ir kankina astronomus beveik šimtmetį. Bendroji reliatyvumo teorija beveik tiksliai numatė šį poveikį.
Macho požiūrio į inerciją atgimimas.
E. Machas (1838–1916), kaip ir jaunesnysis Niutono amžininkas Berklis, ne kartą uždavė sau klausimą: „Kas paaiškina inerciją? Kodėl kūnui sukant įvyksta išcentrinė reakcija? Ieškodamas atsakymo į šiuos klausimus, Machas pasiūlė, kad inercija atsiranda dėl Visatos gravitacinės darnos. Kiekvieną materijos dalelę su visa kita Visatoje jungia gravitaciniai ryšiai, kurių intensyvumas proporcingas jos masei. Todėl, kai dalelę veikianti jėga ją pagreitina, visos Visatos gravitaciniai ryšiai priešinasi šiai jėgai, sukurdami vienodo dydžio ir priešingos krypties inercinę jėgą. Vėliau Macho iškeltas klausimas atgijo ir įgavo naują posūkį: jei nėra nei absoliutaus judėjimo, nei absoliutaus tiesinio pagreičio, tai ar galima atmesti absoliutų sukimąsi? Situacija yra tokia, kad sukimąsi išorinio pasaulio atžvilgiu galima aptikti izoliuotoje laboratorijoje be tiesioginės nuorodos į išorinį pasaulį. Tai galima padaryti išcentrinėmis jėgomis (priverčiant vandens paviršių besisukančiame kibire įgauti įgaubtą formą) ir Koriolio jėgomis (sukuriančioje koordinačių sistemoje sukuriamas tariamas kūno trajektorijos kreivumas. Žinoma, įsivaizduojant mažą besisukantį kūną). yra nepalyginamai lengviau nei besisukanti Visata. Bet klausimas toks: jei visa likusi dalis išnyktų, kaip galėtume spręsti, ar kūnas sukasi „absoliučiai"? Ar vandens paviršius kibire liktų įgaubtas? Ar besisukantis svoris sukuria įtampą virve? Machas manė, kad atsakymai į šiuos klausimus turi būti neigiami. Jei Kadangi gravitacija ir inercija yra tarpusavyje susiję, galima tikėtis, kad tolimos medžiagos tankio ar pasiskirstymo pokyčiai kažkaip paveiks gravitacinės konstantos vertę. G. Pavyzdžiui, jei Visata plečiasi, tada vertė G laikui bėgant turėtų keistis lėtai. Vertės pasikeitimas G gali turėti įtakos švytuoklės svyravimų ir planetų apsisukimo aplink Saulę periodams. Tokius pokyčius galima aptikti tik matuojant laiko intervalus naudojant atominius laikrodžius, kurių greitis nepriklauso nuo G.
Gravitacinės konstantos matavimas.
Eksperimentinis gravitacinės konstantos nustatymas G leidžia nutiesti tiltą tarp teorinio ir abstrakčiojo gravitacijos, kaip universalaus materijos požymio, aspektų ir žemiškesnio klausimo apie jos lokalizaciją ir gravitacinius efektus sukuriančios materijos masės įvertinimą. Paskutinė operacija kartais vadinama svėrimu. Žvelgiant iš teorinės pusės, mes tai jau matėme G yra viena iš pagrindinių gamtos konstantų, todėl ji yra nepaprastai svarbi fizikinei teorijai. Bet dydis G taip pat turi būti žinoma, jei norime aptikti ir „pasverti“ materiją pagal jos sukuriamą gravitacinį efektą.
Pagal Niutono visuotinės gravitacijos dėsnį, bet kurio bandomojo kūno pagreitis kito kūno, turinčio masę, gravitaciniame lauke. m pateikiama pagal formulę g = Gm/r 2 kur r– atstumas nuo kūno su mase m. Veiksniai astronominėse judėjimo lygtyse G Ir mįtraukta tik į kūrinio formą Gm, bet niekada neįtraukiami atskirai. Tai reiškia, kad masė m, kuris sukuria pagreitį, gali būti įvertintas tik tada, kai žinoma reikšmė G. Tačiau remiantis masės santykiais, lyginant jų sukeliamus pagreičius, planetų ir Saulės mases galima išreikšti antžeminėmis masėmis. Iš tiesų, jei du kūnai sukuria pagreičius g 1 ir g 2, tada jų masių santykis yra m 1 /m 2 = g 1 r 1 2 /g 2 r 2 2 . Tai leidžia išreikšti visų dangaus kūnų mases per vieno pasirinkto kūno, pavyzdžiui, Žemės, masę. Ši procedūra prilygsta Žemės masės pasirinkimui kaip masės etalonui. Norėdami pereiti nuo šios procedūros prie centimetro-gramo-sekundės vienetų sistemos, turite žinoti Žemės masę gramais. Jei žinoma, galime paskaičiuoti G, radęs darbą Gm iš bet kokios lygties, nusakančios Žemės sukuriamus gravitacinius efektus (pavyzdžiui, Mėnulio ar dirbtinio Žemės palydovo judėjimą, švytuoklės svyravimus, kūno pagreitį laisvo kritimo metu). Ir atvirkščiai, jei G gali būti matuojamas nepriklausomai, tada produktas Gm, įtrauktas į visas dangaus kūnų judėjimo lygtis, duos Žemės masę. Šie svarstymai leido eksperimentiškai įvertinti G. Pavyzdys yra garsusis Cavendish eksperimentas su sukimo svarstyklėmis, atliktas 1798 m. Įrenginį sudarė dvi mažos masės subalansuoto strypo galuose, per vidurį pritvirtintos prie ilgo sukimo strypo pakabos sriegio. Dvi kitos, didesnės masės yra sumontuotos ant besisukančio stovo, kad jas būtų galima atnešti į mažas mases. Nuo didesnių masių veikianti trauka į mažesnes, nors ir daug silpnesnė už tokios didelės masės kaip Žemė trauką, pasuka strypą, ant kurio pritvirtintos mažos masės, ir susuka pakabos siūlą tokiu kampu, kuris gali būti išmatuotas. Tada didesnes mases atnešant į mažesnes kitoje pusėje (kad pasikeistų traukos kryptis), poslinkį galima padvigubinti ir taip padidinti matavimo tikslumą. Manoma, kad sriegio tamprumo sukimo modulis yra žinomas, nes jį galima nesunkiai išmatuoti laboratorijoje. Todėl išmatavus sriegio posūkio kampą, galima apskaičiuoti traukos jėgą tarp masių.
Literatūra:
Fockas V.A. Erdvės, laiko ir gravitacijos teorija. M., 1961 m
Zeldovičius Ya.B., Novikovas I.D. Gravitacijos teorija ir žvaigždžių evoliucija. M., 1971 m
Weiskopfas W. Fizika XX amžiuje. M., 1977 m
Albertas Einšteinas ir gravitacijos teorija. M., 1979 m
Orff. gravitacija, -I Lopatino rašybos žodynas
Tarp visų materialių kūnų. Mažų greičių ir silpnos gravitacinės sąveikos aproksimacija apibūdinama Niutono gravitacijos teorija, bendruoju atveju – Einšteino bendroji reliatyvumo teorija. Kvantinėje riboje gravitacinę sąveiką tariamai apibūdina kvantinė gravitacijos teorija, kuri dar nebuvo sukurta.
Enciklopedinis „YouTube“.
1 / 5
✪ Gravitacijos vizualizacija
✪ MOKSLININKAI MUS KLAIDO NUO GIMIMO. 7 siautulingi FAKTAI APIE GRAVITĄ. NIUTONO IR FIZIKŲ MELO ATSEKĄ
✪ Aleksandras Chirtsovas – Gravitacija: požiūrių raida nuo Niutono iki Einšteino
✪ 10 įdomių faktų apie gravitaciją
✪ Gravitacija
Subtitrai
Gravitacinė trauka
Visuotinės gravitacijos dėsnis yra vienas iš atvirkštinio kvadrato dėsnio, kuris taip pat randamas tiriant spinduliuotę (žr., pavyzdžiui, Šviesos slėgį), pritaikymų ir yra tiesioginė kvadratinio ploto padidėjimo pasekmė. sfera, kurios spindulys didėja, o tai lemia kvadratinį bet kurio ploto vieneto įnašo į visos sferos plotą sumažėjimą.
Gravitacijos laukas, kaip ir gravitacijos laukas, yra potencialus. Tai reiškia, kad galite įvesti potencialią kūnų poros gravitacinio traukos energiją, ir ši energija nepasikeis judant kūnus uždara kilpa. Gravitacinio lauko potencialumas apima kinetinės ir potencialios energijos sumos išsaugojimo dėsnį ir, tiriant kūnų judėjimą gravitaciniame lauke, dažnai žymiai supaprastina sprendimą. Pagal Niutono mechaniką gravitacinė sąveika yra ilgalaikė. Tai reiškia, kad nesvarbu, kaip judėtų masyvus kūnas, bet kuriame erdvės taške gravitacinis potencialas priklauso tik nuo kūno padėties tam tikru laiko momentu.
Dideli kosminiai objektai – planetos, žvaigždės ir galaktikos turi didžiulę masę ir todėl sukuria reikšmingus gravitacinius laukus.
Gravitacija yra silpniausia sąveika. Tačiau kadangi ji veikia visais atstumais ir visos masės yra teigiamos, ji vis dėlto yra labai svarbi jėga Visatoje. Visų pirma, elektromagnetinė sąveika tarp kūnų kosminiu mastu yra maža, nes bendras šių kūnų elektrinis krūvis yra lygus nuliui (visa medžiaga yra elektriškai neutrali).
Be to, gravitacija, skirtingai nuo kitų sąveikų, yra universali savo poveikiu visai medžiagai ir energijai. Nerasta jokių objektų, kurie visiškai neturėtų gravitacinės sąveikos.
Dėl savo globalaus pobūdžio gravitacija yra atsakinga už tokius didelio masto efektus kaip galaktikų sandara, juodosios skylės ir Visatos plėtimasis bei už elementarius astronominius reiškinius – planetų orbitas ir už paprastą pritraukimą prie planetos paviršiaus. Žemė ir kūnų kritimas.
Gravitacija buvo pirmoji matematinės teorijos aprašyta sąveika. Aristotelis (IV a. pr. Kr.) tikėjo, kad skirtingos masės objektai krenta skirtingu greičiu. Ir tik daug vėliau (1589 m.) Galilėjus Galilėjus eksperimentiniu būdu nustatė, kad taip nėra – panaikinus oro pasipriešinimą, visi kūnai įsibėgėja vienodai. Izaoko Niutono visuotinės gravitacijos dėsnis (1687) gerai apibūdino bendrą gravitacijos elgesį. 1915 metais Albertas Einšteinas sukūrė Bendrąją reliatyvumo teoriją, kuri tiksliau apibūdina gravitaciją erdvėlaikio geometrijos požiūriu.
Dangaus mechanika ir kai kurios jos užduotys
Paprasčiausia dangaus mechanikos problema yra dviejų taškinių arba sferinių kūnų gravitacinė sąveika tuščioje erdvėje. Ši problema klasikinės mechanikos rėmuose sprendžiama analitiškai uždara forma; jos sprendimo rezultatas dažnai formuluojamas trijų Keplerio dėsnių forma.
Didėjant sąveikaujančių kūnų skaičiui, užduotis tampa žymiai sudėtingesnė. Taigi jau garsioji trijų kūnų problema (tai yra trijų kūnų, kurių masė yra ne nulinė, judėjimas) negali būti išspręsta analitiškai bendra forma. Naudojant skaitinį sprendimą, sprendinių nestabilumas, palyginti su pradinėmis sąlygomis, atsiranda gana greitai. Taikant Saulės sistemai, šis nestabilumas neleidžia tiksliai numatyti planetų judėjimo, viršijančio šimtą milijonų metų.
Kai kuriais ypatingais atvejais galima rasti apytikslį sprendimą. Svarbiausias yra atvejis, kai vieno kūno masė yra žymiai didesnė už kitų kūnų masę (pavyzdžiai: Saulės sistema ir Saturno žiedų dinamika). Šiuo atveju, kaip pirmą aproksimaciją, galime daryti prielaidą, kad šviesos kūnai nesąveikauja vienas su kitu ir juda Keplerio trajektorijomis aplink masyvų kūną. Į jų sąveiką galima atsižvelgti taikant perturbacijos teoriją ir apskaičiuoti jos vidurkį laikui bėgant. Tokiu atveju gali atsirasti nereikšmingų reiškinių, tokių kaip rezonansai, atraktoriai, chaosas ir tt Ryškus tokių reiškinių pavyzdys yra sudėtinga Saturno žiedų struktūra.
Nepaisant bandymų tiksliai apibūdinti daugelio maždaug vienodos masės traukiančių kūnų sistemos elgesį, to negalima padaryti dėl dinaminio chaoso reiškinio.
Stiprūs gravitaciniai laukai
Stipriuose gravitaciniuose laukuose, taip pat judant gravitaciniame lauke reliatyvistiniu greičiu, pradeda ryškėti bendrosios reliatyvumo teorijos (GTR) poveikis:
- keičiant erdvės ir laiko geometriją;
- kaip pasekmė, gravitacijos dėsnio nukrypimas nuo Niutono;
- o kraštutiniais atvejais – juodųjų skylių atsiradimas;
- potencialų vėlavimas, susijęs su baigtiniu gravitacinių trikdžių sklidimo greičiu;
- kaip pasekmė – gravitacinių bangų atsiradimas;
- netiesiškumo efektai: gravitacija linkusi sąveikauti su savimi, todėl superpozicijos principas stipriuose laukuose nebegalioja.
Gravitacinė spinduliuotė
Viena iš svarbių Bendrosios reliatyvumo teorijos prognozių yra gravitacinė spinduliuotė, kurios buvimą patvirtino tiesioginiai stebėjimai 2015 m. Tačiau anksčiau nebuvo tvirtų netiesioginių įrodymų, patvirtinančių jos egzistavimą, būtent: energijos nuostoliai artimose dvejetainėse sistemose, kuriose yra kompaktiškų gravitacinių objektų (tokių kaip neutroninės žvaigždės ar juodosios skylės), ypač garsiojoje sistemoje PSR B1913+16 (Hals pulsar). - Taylor) - gerai sutampa su bendruoju reliatyvumo modeliu, kuriame šią energiją nuneša būtent gravitacinė spinduliuotė.
Gravitacinę spinduliuotę gali generuoti tik sistemos su kintamu keturpoliu arba didesniu daugiapoliu momentu; tai rodo, kad daugumos natūralių šaltinių gravitacinė spinduliuotė yra kryptinga, o tai labai apsunkina jos aptikimą. Gravitacijos galia n-lauko šaltinis yra proporcingas (v / c) 2 n + 2 (\displaystyle (v/c)^(2n+2)), jei daugiapolis yra elektrinio tipo, ir (v / c) 2 n + 4 (\displaystyle (v/c)^(2n+4))- jei daugiapolis yra magnetinio tipo, kur v yra būdingas šaltinių judėjimo greitis spinduliavimo sistemoje, ir c- šviesos greitis. Taigi dominuojantis momentas bus elektrinio tipo kvadrupolio momentas, o atitinkamos spinduliuotės galia lygi:
L = 1 5 G c 5 ⟨ d 3 Q i j d t 3 d 3 Q i j d t 3 ⟩ , (\displaystyle L=(\frac (1)(5))(\frac (G)(c^(5)))\ left\langle (\frac (d^(3)Q_(ij))(dt^(3)))(\frac (d^(3)Q^(ij))(dt^(3)))\right \rangle ,)Kur Q i j (\displaystyle Q_(ij))- spinduliavimo sistemos masės pasiskirstymo kvadrupolio momento tenzorius. Pastovus G c 5 = 2,76 × 10 − 53 (\displaystyle (\frac (G)(c^(5))) = 2,76\times 10^(-53))(1/W) leidžia įvertinti spinduliuotės galios dydį.
Nuo 1969 m. (Vėberio eksperimentai (Anglų)), bandoma tiesiogiai aptikti gravitacinę spinduliuotę. JAV, Europoje ir Japonijoje šiuo metu veikia keli antžeminiai detektoriai (LIGO, VIRGO, TAMA (Anglų), GEO 600), taip pat LISA (Laser Interferometer Space Antenna) kosminio gravitacinio detektoriaus projektas. Dulkyno moksliniame gravitacinių bangų tyrimų centre Tatarstano Respublikoje kuriamas antžeminis detektorius Rusijoje.
Subtilus gravitacijos poveikis
Be klasikinių gravitacinio traukos ir laiko išsiplėtimo efektų, bendroji reliatyvumo teorija numato ir kitų gravitacijos apraiškų egzistavimą, kurie antžeminėmis sąlygomis yra labai silpni, todėl juos aptikti ir eksperimentiškai patikrinti yra labai sunku. Dar visai neseniai šių sunkumų įveikimas atrodė viršijantis eksperimentuotojų galimybes.
Tarp jų visų pirma galima įvardinti inercinių atskaitos kadrų pasipriešinimą (arba objektyvo-Thirringo efektą) ir gravitomagnetinį lauką. 2005 m. NASA nepilotuojamas Gravity Probe B atliko precedento neturintį tikslumo eksperimentą, siekdamas išmatuoti šiuos efektus netoli Žemės. Gautų duomenų apdorojimas buvo atliktas iki 2011 m. gegužės mėn. ir patvirtino inercinių atskaitos sistemų geodezinės precesijos ir pasipriešinimo padarinių buvimą ir mastą, nors ir kiek mažesniu nei iš pradžių manyta tikslumu.
Po intensyvaus darbo analizuojant ir išgaunant matavimo triukšmą, galutiniai misijos rezultatai buvo paskelbti NASA-TV spaudos konferencijoje 2011 m. gegužės 4 d. ir paskelbti žurnale Physical Review Letters. Išmatuota geodezinės precesijos vertė buvo −6601,8±18,3 milisekundės lankų per metus ir įtraukimo efektas - −37,2±7,2 milisekundės lankų per metus (palyginti su teorinėmis vertėmis –6606,1 mas/metus ir −39,2 mas/metus).
Klasikinės gravitacijos teorijos
Dėl to, kad kvantiniai gravitacijos efektai yra itin maži net pačiomis ekstremaliausiomis ir stebėjimo sąlygomis, patikimų jų stebėjimų vis dar nėra. Teoriniai vertinimai rodo, kad didžiąja dauguma atvejų galima apsiriboti klasikiniu gravitacinės sąveikos aprašymu.
Egzistuoja moderni kanoninė klasikinė gravitacijos teorija – bendroji reliatyvumo teorija ir daug aiškinamųjų hipotezių bei įvairaus išsivystymo laipsnio teorijų, konkuruojančių tarpusavyje. Visos šios teorijos daro labai panašias prognozes, atsižvelgiant į aproksimaciją, kurioje šiuo metu atliekami eksperimentiniai bandymai. Toliau pateikiamos kelios pagrindinės, labiausiai išvystytos arba žinomos gravitacijos teorijos.
Bendroji reliatyvumo teorija
Tačiau bendrasis reliatyvumas buvo patvirtintas eksperimentiškai dar visai neseniai (2012 m.). Be to, daugelis alternatyvių Einšteino, bet šiuolaikinės fizikos standartų, gravitacijos teorijos formulavimo metodų leidžia pasiekti rezultatą, kuris sutampa su bendruoju reliatyvumu mažos energijos aproksimacijos srityje, kuri yra vienintelė dabar prieinama eksperimentiniam patikrinimui.
Einšteino-Kartano teorija
Panašus lygčių padalijimas į dvi klases vyksta ir RTG, kur įvedama antroji tenzorių lygtis, siekiant atsižvelgti į ryšį tarp neeuklido erdvės ir Minkovskio erdvės. Dėl bedimensio parametro buvimo Jordano-Branso-Dicke teorijoje tampa įmanoma jį pasirinkti taip, kad teorijos rezultatai sutaptų su gravitacinių eksperimentų rezultatais. Be to, kadangi parametras linkęs į begalybę, teorijos prognozės vis labiau artėja prie bendrosios reliatyvumo teorijos, todėl Jordano-Branso-Dicke teorijos neįmanoma paneigti jokiu eksperimentu, patvirtinančiu bendrąją reliatyvumo teoriją.
Kvantinė gravitacijos teorija
Nepaisant daugiau nei pusę amžiaus trukusių bandymų, gravitacija yra vienintelė esminė sąveika, kuriai dar nėra sukurta visuotinai pripažinta nuosekli kvantinė teorija. Esant mažoms energijoms, remiantis kvantinio lauko teorijos dvasia, gravitacinę sąveiką galima pavaizduoti kaip gravitonų – spin-2 gauge bozonų – mainus.Tačiau gauta teorija yra nenormalizuojama, todėl laikoma nepatenkinama.
Pastaraisiais dešimtmečiais buvo sukurti keli perspektyvūs gravitacijos kvantavimo problemos sprendimo būdai: stygų teorija, kilpinė kvantinė gravitacija ir kt.
Stygų teorija
Jame vietoj dalelių ir foninio erdvėlaikio atsiranda stygos ir jų daugiamačiai analogai -
Gravitacija
Gravitacija (universali gravitacija, gravitacija)(iš lot. gravitas - „gravitacija“) - ilgalaikė esminė sąveika gamtoje, kuriai pavaldūs visi materialūs kūnai. Remiantis šiuolaikiniais duomenimis, tai yra universali sąveika ta prasme, kad, skirtingai nei bet kurios kitos jėgos, ji suteikia vienodą pagreitį visiems be išimties kūnams, nepaisant jų masės. Daugiausia gravitacija vaidina lemiamą vaidmenį kosminiu mastu. Terminas gravitacija taip pat naudojamas kaip fizikos šakos, tiriančios gravitacinę sąveiką, pavadinimas. Sėkmingiausia šiuolaikinė fizinė teorija klasikinėje fizikoje, apibūdinanti gravitaciją, yra bendroji reliatyvumo teorija; gravitacinės sąveikos kvantinė teorija dar nesukurta.
Gravitacinė sąveika
Gravitacinė sąveika yra viena iš keturių pagrindinių mūsų pasaulio sąveikų. Klasikinės mechanikos rėmuose aprašoma gravitacinė sąveika visuotinės gravitacijos dėsnis Niutonas, kuris teigia, kad gravitacinės traukos jėga tarp dviejų materialių masės taškų m 1 ir m 2 atskirti atstumu R, yra proporcinga abiem masėms ir atvirkščiai proporcinga atstumo kvadratui – tai yra
.Čia G- gravitacinė konstanta, lygi apytiksliai 
m³/(kg s²). Minuso ženklas reiškia, kad jėga, veikianti kūną, visada yra lygi spindulio vektoriui, nukreiptam į kūną, tai yra, gravitacinė sąveika visada lemia bet kokių kūnų trauką.
Visuotinės gravitacijos dėsnis yra vienas iš atvirkštinio kvadrato dėsnio, kuris taip pat pasitaiko tiriant spinduliuotę (žr., pavyzdžiui, Šviesos slėgį), pritaikymų ir yra tiesioginė kvadratinio ploto padidėjimo pasekmė. sfera, kurios spindulys didėja, o tai lemia kvadratinį bet kurio ploto vieneto įnašo į visos sferos plotą sumažėjimą.
Paprasčiausia dangaus mechanikos problema yra dviejų kūnų gravitacinė sąveika tuščioje erdvėje. Ši problema išspręsta analitiškai iki galo; jos sprendimo rezultatas dažnai formuluojamas trijų Keplerio dėsnių forma.
Didėjant sąveikaujančių kūnų skaičiui, užduotis tampa žymiai sudėtingesnė. Taigi jau garsioji trijų kūnų problema (tai yra trijų kūnų, kurių masė yra ne nulinė, judėjimas) negali būti išspręsta analitiškai bendra forma. Naudojant skaitinį sprendimą, sprendinių nestabilumas, palyginti su pradinėmis sąlygomis, atsiranda gana greitai. Taikant šį nestabilumą Saulės sistemoje, neįmanoma numatyti planetų judėjimo didesniais nei šimto milijonų metų masteliais.
Kai kuriais ypatingais atvejais galima rasti apytikslį sprendimą. Svarbiausias atvejis, kai vieno kūno masė yra žymiai didesnė už kitų kūnų masę (pavyzdžiai: Saulės sistema ir Saturno žiedų dinamika). Šiuo atveju, kaip pirmą aproksimaciją, galime daryti prielaidą, kad šviesos kūnai nesąveikauja vienas su kitu ir juda Keplerio trajektorijomis aplink masyvų kūną. Į jų sąveiką galima atsižvelgti taikant perturbacijos teoriją ir apskaičiuoti jos vidurkį laikui bėgant. Tokiu atveju gali atsirasti nebanalūs reiškiniai, tokie kaip rezonansai, atraktoriai, chaosas ir tt Ryškus tokių reiškinių pavyzdys yra nebanali Saturno žiedų struktūra.
Nepaisant bandymų apibūdinti daugelio maždaug vienodos masės traukiančių kūnų sistemos elgesį, to negalima padaryti dėl dinaminio chaoso reiškinio.
Stiprūs gravitaciniai laukai
Stipriuose gravitaciniuose laukuose, judant reliatyvistiniu greičiu, pradeda ryškėti bendrosios reliatyvumo teorijos poveikis:
- gravitacijos dėsnio nukrypimas nuo Niutono;
- potencialų vėlavimas, susijęs su baigtiniu gravitacinių trikdžių sklidimo greičiu; gravitacinių bangų atsiradimas;
- netiesiškumo efektai: gravitacinės bangos linkusios sąveikauti viena su kita, todėl bangų superpozicijos stipriuose laukuose principas nebegalioja;
- keičiant erdvės ir laiko geometriją;
- juodųjų skylių atsiradimas;
Gravitacinė spinduliuotė
Viena iš svarbių bendrosios reliatyvumo teorijos prognozių yra gravitacinė spinduliuotė, kurios buvimas tiesioginiais stebėjimais dar nepatvirtintas. Tačiau yra netiesioginių stebėjimų įrodymų, patvirtinančių jos egzistavimą, būtent: energijos nuostoliai dvejetainėje sistemoje su pulsaru PSR B1913+16 - Hulse-Taylor pulsaru - gerai sutampa su modeliu, kuriame ši energija nešama gravitacinė spinduliuotė.
Gravitacinę spinduliuotę gali generuoti tik sistemos su kintamu keturpoliu arba didesniu daugiapoliu momentu, tai rodo, kad daugumos natūralių šaltinių gravitacinė spinduliuotė yra kryptinga, o tai labai apsunkina jos aptikimą. Gravitacijos galia l-lauko šaltinis yra proporcingas (v / c) 2l + 2 , jei daugiapolis yra elektrinio tipo, ir (v / c) 2l + 4 - jei daugiapolis yra magnetinio tipo, kur v yra būdingas šaltinių judėjimo greitis spinduliavimo sistemoje, ir c- šviesos greitis. Taigi dominuojantis momentas bus elektrinio tipo kvadrupolio momentas, o atitinkamos spinduliuotės galia lygi:
Kur K ij- spinduliavimo sistemos masės pasiskirstymo kvadrupolio momento tenzorius. Pastovus 
(1/W) leidžia įvertinti spinduliuotės galios dydį.
Nuo 1969 m. (Weberio eksperimentai) iki šių dienų (2007 m. vasario mėn.) buvo bandoma tiesiogiai aptikti gravitacinę spinduliuotę. JAV, Europoje ir Japonijoje šiuo metu veikia keli antžeminiai detektoriai (GEO 600), taip pat Tatarstano Respublikos kosminio gravitacinio detektoriaus projektas.
Subtilus gravitacijos poveikis
Be klasikinių gravitacinio traukos ir laiko išsiplėtimo efektų, bendroji reliatyvumo teorija numato ir kitų gravitacijos apraiškų egzistavimą, kurie antžeminėmis sąlygomis yra labai silpni, todėl juos aptikti ir eksperimentiškai patikrinti yra labai sunku. Dar visai neseniai šių sunkumų įveikimas atrodė viršijantis eksperimentuotojų galimybes.
Tarp jų visų pirma galime įvardyti inercinių atskaitos sistemų įtraukimą (arba objektyvo-Thirringo efektą) ir gravitomagnetinį lauką. 2005 m. NASA nepilotuojamas „Gravity Probe B“ atliko precedento neturintį tikslumo eksperimentą, siekdamas išmatuoti šiuos efektus netoli Žemės, tačiau visi jo rezultatai dar nepaskelbti.
Kvantinė gravitacijos teorija
Nepaisant daugiau nei pusę amžiaus trukusių bandymų, gravitacija yra vienintelė esminė sąveika, kuriai dar nesukurta nuosekli renormalizuojama kvantinė teorija. Tačiau esant žemai energijai, remiantis kvantinio lauko teorijos dvasia, gravitacinė sąveika gali būti pavaizduota kaip gravitonų mainai - matuoklio bozonai su sukiniu 2.
Standartinės gravitacijos teorijos
Dėl to, kad kvantiniai gravitacijos efektai yra itin maži net pačiomis ekstremaliausiomis eksperimento ir stebėjimo sąlygomis, patikimų jų stebėjimų vis dar nėra. Teoriniai vertinimai rodo, kad didžiąja dauguma atvejų galima apsiriboti klasikiniu gravitacinės sąveikos aprašymu.
Egzistuoja šiuolaikinė kanoninė klasikinė gravitacijos teorija – bendroji reliatyvumo teorija ir daug hipotezių bei įvairaus išsivystymo laipsnio teorijų, kurios ją paaiškina, konkuruoja tarpusavyje (žr. straipsnį Alternatyvios gravitacijos teorijos). Visos šios teorijos daro labai panašias prognozes, atsižvelgiant į aproksimaciją, kurioje šiuo metu atliekami eksperimentiniai bandymai. Toliau pateikiamos kelios pagrindinės, labiausiai išvystytos arba žinomos gravitacijos teorijos.
- Gravitacija yra ne geometrinis laukas, o realus fizinės jėgos laukas, apibūdinamas tenzoriumi.
- Gravitacijos reiškiniai turėtų būti nagrinėjami plokščios Minkovskio erdvės rėmuose, kurioje nedviprasmiškai tenkinami energijos-momento ir kampinio momento tvermės dėsniai. Tuomet kūnų judėjimas Minkovskio erdvėje prilygsta šių kūnų judėjimui efektyvioje Riemanno erdvėje.
- Tenzorinėse lygtyse, siekiant nustatyti metriką, reikia atsižvelgti į gravitonų masę ir naudoti matuoklio sąlygas, susijusias su Minkovskio erdvės metrika. Tai neleidžia gravitaciniam laukui sunaikinti net lokaliai, pasirenkant kokį nors tinkamą atskaitos rėmą.
Kaip ir bendrojoje reliatyvumo teorijoje, RTG medžiaga reiškia visas materijos formas (įskaitant elektromagnetinį lauką), išskyrus patį gravitacinį lauką. RTG teorijos pasekmės yra tokios: juodosios skylės kaip fiziniai objektai, numatyti Bendrojoje reliatyvumo teorijoje, neegzistuoja; Visata yra plokščia, vienalytė, izotropinė, stacionari ir euklidinė.
Kita vertus, yra ne mažiau įtikinamų RTG oponentų argumentų, kurie susiveda į šiuos dalykus:
Panašus dalykas vyksta RTG, kur įvedama antroji tenzorių lygtis, siekiant atsižvelgti į ryšį tarp neeuklido erdvės ir Minkovskio erdvės. Dėl to, kad Jordano-Branso-Dicke teorijoje yra bematis derinimo parametras, tampa įmanoma jį pasirinkti taip, kad teorijos rezultatai sutaptų su gravitacinių eksperimentų rezultatais.
| Gravitacijos teorijos | ||||||||
|
Šaltiniai ir pastabos
Literatūra
- Vizginas V.P. Reliatyvistinė gravitacijos teorija (ištakos ir formavimasis, 1900-1915). M.: Nauka, 1981. - 352c.
- Vizginas V.P. Vieningos teorijos XX amžiaus I trečdalyje. M.: Nauka, 1985. - 304c.
- Ivanenko D.D., Sardanašvilis G.A. Gravitacija, 3 leidimas. M.: URSS, 2008. - 200 p.
taip pat žr
- Gravimetras
Nuorodos
- Visuotinės gravitacijos dėsnis arba „Kodėl Mėnulis nenukrenta į Žemę? – Tiesiog apie sunkius dalykus
Wikimedia fondas. 2010 m.
Sinonimai:
