Гравитация что это такое простыми


Гравитация - это... Что такое Гравитация?

Гравита́ция (притяжение, всеми́рное тяготе́ние, тяготе́ние) (от лат. gravitas — «тяжесть») — универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Гравитация является самым слабым из четырех типов фундаментальных взаимодействий. В квантовом пределе гравитационное взаимодействие должно описываться квантовой теорией гравитации, которая ещё полностью не разработана.

Гравитационное взаимодействие

Закон всемирного тяготения.

В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы и , разделёнными расстоянием , пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния — то есть:

Здесь  — гравитационная постоянная, равная примерно 6,6725×10−11 м³/(кг·с²).

Закон всемирного тяготения — одно из приложений закона обратных квадратов, встречающегося также и при изучении излучений (см., например, Давление света), и являющегося прямым следствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, что приводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадь всей сферы.

Гравитационное поле, так же как и поле силы тяжести, потенциально. Это значит, что можно ввести потенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, и эта энергия не изменится после перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность гравитационного поля влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии и при изучении движения тел в гравитационном поле часто существенно упрощает решение. В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени.

Большие космические объекты — планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.

Гравитация — слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях, и все массы положительны, это, тем не менее, очень важная сила во Вселенной. В частности, электромагнитное взаимодействие между телами на космических масштабах мало, поскольку полный электрический заряд этих тел равен нулю (вещество в целом электрически нейтрально).

Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления — орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

Гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией. Аристотель считал, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. Только много позже Галилео Галилей экспериментально определил, что это не так — если сопротивление воздуха устраняется, все тела ускоряются одинаково. Закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687) хорошо описывал общее поведение гравитации. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал Общую теорию относительности, более точно описывающую гравитацию в терминах геометрии пространства-времени.

Небесная механика и некоторые её задачи

Раздел механики, изучающий движение тел в пустом пространстве только под действием гравитации, называется небесной механикой.

Наиболее простой задачей небесной механики является гравитационное взаимодействие двух точечных или сферических тел в пустом пространстве. Эта задача в рамках классической механики решается аналитически в замкнутой форме; результат её решения часто формулируют в виде трёх законов Кеплера.

При увеличении количества взаимодействующих тел задача резко усложняется. Так, уже знаменитая задача трёх тел (то есть движение трёх тел с ненулевыми массами) не может быть решена аналитически в общем виде. При численном же решении достаточно быстро наступает неустойчивость решений относительно начальных условий. В применении к Солнечной системе эта неустойчивость не позволяет предсказать точно движение планет на масштабах, превышающих сотню миллионов лет.

В некоторых частных случаях удаётся найти приближённое решение. Наиболее важным является случай, когда масса одного тела существенно больше массы других тел (примеры: Солнечная система и динамика колец Сатурна). В этом случае в первом приближении можно считать, что лёгкие тела не взаимодействуют друг с другом и движутся по кеплеровым траекториям вокруг массивного тела. Взаимодействия же между ними можно учитывать в рамках теории возмущений и усреднять по времени. При этом могут возникать нетривиальные явления, такие как резонансы, аттракторы, хаотичность и т. д. Наглядный пример таких явлений — сложная структура колец Сатурна.

Несмотря на попытки точно описать поведение системы из большого числа притягивающихся тел примерно одинаковой массы, сделать этого не удаётся из-за явления динамического хаоса.

Сильные гравитационные поля

В сильных гравитационных полях, а также при движении в гравитационном поле с релятивистскими скоростями, начинают проявляться эффекты общей теории относительности (ОТО):

Гравитационное излучение

Экспериментально измеренное уменьшение периода обращения двойного пульсара PSR B1913+16 (синие точки) с высокой точностью соответствует предсказаниям ОТО по гравитационному излучению (чёрная кривая).

Одним из важных предсказаний ОТО является гравитационное излучение, наличие которого до сих пор не подтверждено прямыми наблюдениями. Однако существуют весомые косвенные свидетельства в пользу его существования, а именно: потери энергии в тесных двойных системах, содержащих компактные гравитирующие объекты (такие как нейтронные звезды или чёрные дыры), в частности, в знаменитой системе PSR B1913+16 (пульсаре Халса — Тейлора) — хорошо согласуются с моделью ОТО, в которой эта энергия уносится именно гравитационным излучением.

Гравитационное излучение могут генерировать только системы с переменным квадрупольным или более высокими мультипольными моментами, этот факт говорит о том, что гравитационное излучение большинства природных источников направленное, что существенно усложняет его обнаружение. Мощность гравитационного n-польного источника пропорциональна , если мультиполь имеет электрический тип, и  — если мультиполь магнитного типа[1], где v — характерная скорость движения источников в излучающей системе, а c — скорость света. Таким образом, доминирующим моментом будет квадрупольный момент электрического типа, а мощность соответствующего излучения равна:

где  — тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа  (1/Вт) позволяет оценить порядок величины мощности излучения.

Начиная с 1969 года (эксперименты Вебера (англ.)), предпринимаются попытки прямого обнаружения гравитационного излучения. В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных детекторов (LIGO, VIRGO, TAMA (англ.), GEO 600), а также проект космического гравитационного детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna — лазерно-интерферометрическая космическая антенна). Наземный детектор в России разрабатывается в Научном Центре Гравитационно-Волновых Исследований «Дулкын»[2] республики Татарстан.

Тонкие эффекты гравитации

Измерение кривизны пространства на орбите Земли (рисунок художника)

Помимо классических эффектов гравитационного притяжения и замедления времени, общая теория относительности предсказывает существование других проявлений гравитации, которые в земных условиях весьма слабы и их обнаружение и экспериментальная проверка поэтому весьма затруднительны. До последнего времени преодоление этих трудностей представлялось за пределами возможностей экспериментаторов.

Среди них, в частности, можно назвать увлечение инерциальных систем отсчета (или эффект Лензе-Тирринга) и гравитомагнитное поле. В 2005 году автоматический аппарат НАСА Gravity Probe B провёл беспрецедентный по точности эксперимент по измерению этих эффектов вблизи Земли. Обработка полученных данных велась до мая 2011 года и подтвердила существование и величину эффектов геодезической прецессии и увлечения инерциальных систем отсчёта, хотя и с точностью, несколько меньшей изначально предполагавшейся.

После интенсивной работы по анализу и извлечению помех измерений, окончательные итоги миссии были объявлены на пресс-конференции по NASA-TV 4 мая 2011 года и опубликованы в Physical Review Letters[3]. Измеренная величина геодезической прецессии составила −6601,8±18,3 миллисекунды дуги в год, а эффекта увлечения — −37,2±7,2 миллисекунды дуги в год (ср. с теоретическими значениями −6606,1 mas/год и −39,2 mas/год).

Классические теории гравитации

См. также: Теории гравитации

В связи с тем, что квантовые эффекты гравитации чрезвычайно малы даже в самых экстремальных экспериментальных и наблюдательных условиях, до сих пор не существует их надёжных наблюдений. Теоретические оценки показывают, что в подавляющем большинстве случаев можно ограничиться классическим описанием гравитационного взаимодействия.

Существует современная каноническая[4] классическая теория гравитации — общая теория относительности, и множество уточняющих её гипотез и теорий различной степени разработанности, конкурирующих между собой. Все эти теории дают очень похожие предсказания в рамках того приближения, в котором в настоящее время осуществляются экспериментальные тесты. Далее описаны несколько основных, наиболее хорошо разработанных или известных теорий гравитации.

Общая теория относительности

В стандартном подходе общей теории относительности (ОТО) гравитация рассматривается изначально не как силовое взаимодействие, а как проявление искривления пространства-времени. Таким образом, в ОТО гравитация интерпретируется как геометрический эффект, причём пространство-время рассматривается в рамках неевклидовой римановой (точнее псевдо-римановой) геометрии. Гравитационное поле (обобщение ньютоновского гравитационного потенциала), иногда называемое также полем тяготения, в ОТО отождествляется с тензорным метрическим полем — метрикой четырёхмерного пространства-времени, а напряжённость гравитационного поля — с аффинной связностью пространства-времени, определяемой метрикой.

Стандартной задачей ОТО является определение компонент метрического тензора, в совокупности задающих геометрические свойства пространства-времени, по известному распределению источников энергии-импульса в рассматриваемой системе четырёхмерных координат. В свою очередь знание метрики позволяет рассчитывать движение пробных частиц, что эквивалентно знанию свойств поля тяготения в данной системе. В связи с тензорным характером уравнений ОТО, а также со стандартным фундаментальным обоснованием её формулировки, считается, что гравитация также носит тензорный характер. Одним из следствий является то, что гравитационное излучение должно быть не ниже квадрупольного порядка.

Известно, что в ОТО имеются затруднения в связи с неинвариантностью энергии гравитационного поля, поскольку данная энергия не описывается тензором и может быть теоретически определена разными способами. В классической ОТО также возникает проблема описания спин-орбитального взаимодействия (так как спин протяжённого объекта также не имеет однозначного определения). Считается, что существуют определённые проблемы с однозначностью результатов и обоснованием непротиворечивости (проблема гравитационных сингулярностей).

Однако экспериментально ОТО подтверждается до самого последнего времени (2012 год). Кроме того, многие альтернативные эйнштейновскому, но стандартные для современной физики подходы к формулировке теории гравитации приводят к результату, совпадающему с ОТО в низкоэнергетическом приближении, которое только и доступно сейчас экспериментальной проверке.

Теория Эйнштейна — Картана

Теория Эйнштейна — Картана (ЭК) была разработана как расширение ОТО, внутренне включающее в себя описание воздействия на пространство-время кроме энергии-импульса также и спина объектов[5]. В теории ЭК вводится аффинное кручение, а вместо псевдоримановой геометрии для пространства-времени используется геометрия Римана — Картана. В результате от метрической теории переходят к аффинной теории пространства-времени. Результирующие уравнения для описания пространства-времени распадаются на два класса. Один из них аналогичен ОТО, с тем отличием, что в тензор кривизны включены компоненты с аффинным кручением. Второй класс уравнений задаёт связь тензора кручения и тензора спина материи и излучения. Получаемые поправки к ОТО в условиях современной Вселенной настолько малы, что пока не видно даже гипотетических путей для их измерения.

Теория Бранса — Дикке

В скалярно-тензорных теориях, самой известной из которых является теория Бранса — Дикке (или Йордана — Бранса — Дикке), гравитационное поле как эффективная метрика пространства-времени определяется воздействием не только тензора энергии-импульса материи, как в ОТО, но и дополнительного гравитационного скалярного поля. Источником скалярного поля считается свёрнутый тензор энергии-импульса материи. Следовательно, скалярно-тензорные теории, как ОТО и РТГ, относятся к метрическим теориям, дающим объяснение гравитации, используя только геометрию пространства-времени и его метрические свойства. Наличие скалярного поля приводит к двум группам уравнений для компонент гравитационного поля: одна для метрики, вторая — для скалярного поля. Теория Бранса — Дикке вследствие наличия скалярного поля может рассматриваться также как действующая в пятимерном многообразии, состоящем из пространства-времени и скалярного поля[6].

Подобное распадение уравнений на два класса имеет место и в РТГ, где второе тензорное уравнение вводится для учёта связи между неевклидовым пространством и пространством Минковского[7]. Благодаря наличию безразмерного параметра в теории Йордана — Бранса — Дикке появляется возможность выбрать его так, чтобы результаты теории совпадали с результатами гравитационных экспериментов. При этом при стремлении параметра к бесконечности предсказания теории становятся всё более близкими к ОТО, так что опровергнуть теорию Йордана — Бранса — Дикке невозможно никаким экспериментом, подтверждающим общую теорию относительности.

Квантовая теория гравитации

Несмотря на более чем полувековую историю попыток, гравитация — единственное из фундаментальных взаимодействий, для которого пока ещё не построена общепризнанная непротиворечивая квантовая теория. При низких энергиях, в духе квантовой теории поля, гравитационное взаимодействие можно представить как обмен гравитонами — калибровочными бозонами со спином 2. Однако получающаяся теория неперенормируема, и поэтому считается неудовлетворительной.

В последние десятилетия разработаны три перспективных подхода к решению задачи квантования гравитации: теория струн, петлевая квантовая гравитация и причинная динамическая триангуляция.

Теория струн

В ней вместо частиц и фонового пространства-времени выступают струны и их многомерные аналоги — браны. Для многомерных задач браны являются многомерными частицами, но с точки зрения частиц, движущихся внутри этих бран, они являются пространственно-временными структурами. Вариантом теории струн является М-теория.

Петлевая квантовая гравитация

В ней делается попытка сформулировать квантовую теорию поля без привязки к пространственно-временному фону, пространство и время по этой теории состоят из дискретных частей. Эти маленькие квантовые ячейки пространства определённым способом соединены друг с другом, так что на малых масштабах времени и длины они создают пёструю, дискретную структуру пространства, а на больших масштабах плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время. Хотя многие космологические модели могут описать поведение вселенной только от Планковского времени после Большого Взрыва, петлевая квантовая гравитация может описать сам процесс взрыва, и даже заглянуть раньше. Петлевая квантовая гравитация позволяет описать все частицы стандартной модели, не требуя для объяснения их масс введения бозона Хиггса.

Причинная динамическая триангуляция

Основная статья: Причинная динамическая триангуляция

В ней пространственно-временное многообразие строится из элементарных евклидовых симплексов (треугольник, тетраэдр, пентахор) размеров порядка планковских с учётом принципа причинности. Четырёхмерность и псевдоевклидовость пространства-времени в макроскопических масштабах в ней не постулируются, а являются следствием теории.

См. также

Примечания

Литература

  • Визгин В. П. Релятивистская теория тяготения (истоки и формирование, 1900—1915). — М.: Наука, 1981. — 352c.
  • Визгин В. П. Единые теории в 1-й трети ХХ в. — М.: Наука, 1985. — 304c.
  • Иваненко Д. Д., Сарданашвили Г. А. Гравитация. 3-е изд. — М.: УРСС, 2008. — 200с.
  • Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. — М.: Мир, 1977.
  • Торн К. Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна. — М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 2009.

Ссылки

dic.academic.ru

Что такое гравитация простыми словами

Общее понятие гравитации

Гравитация – это, казалось бы, простое понятие, известное каждому человеку еще со времен школьной скамьи. Все мы помним историю о том, как на голову Ньютона упало яблоко, и он открыл закон всемирного тяготения. Однако все не так просто, как кажется. В той статье мы попытаемся дать ясный и исчерпывающий ответ на вопрос: что такое гравитация? А также рассмотрим главные мифы и заблуждения об этом интересном явлении.

Говоря простыми словами, гравитация — это притяжение между двумя любыми объектами во вселенной. Гравитацию можно определить, зная массу тел и расстояние от одного до другого. Чем сильнее гравитационное поле, тем больше будет вес тела и выше его ускорение. Например, на Луне вес космонавта будет в шесть раз меньше, чем на Земле. Сила гравитационного поля зависит от размеров объекта, который оно окружает. Так, лунная сила притяжения в шесть раз ниже земной. Впервые обосновал это научно и доказал с помощью математических вычислений ещё в XVII веке Исаак Ньютон.

Что упало на голову Ньютону

Несмотря на то, что сам великий английский ученый частично подтверждал известную всем легенду о яблоке и ушибе головы, всё же, сейчас можно сказать с уверенностью, что при открытии закона всемирного тяготения обошлось без травм и озарений. Основой, заложившей новую эру в естественных науках, стал труд «Математические начала натуральной философии». В нем Ньютон описывает закон тяготения и важные законы механики, открытые им за долгие годы напряженной работы. Знаменитый физик был натурой неторопливой и рассудительной, как и положено гениальному ученому. А поэтому от начала раздумий о природе тяготения до издания научной работы о ней прошло больше 20 лет. Впрочем, легенда об упавшем фрукте могла иметь под собой и какие-то реальные основания, вот только голова физика однозначно осталась цела.

Законы притяжения изучались и до Исаака Ньютона самыми различными научными деятелями. Но только он впервые математически доказал прямую взаимосвязь между тяготением и движением планет. То есть падающим с ветки яблоком и вращением луны вокруг земли управляет одна и та же сила – гравитация. И она действует на любые два тела во вселенной. Эти открытия заложили основу так называемой небесной механики, а также науки о динамике. Ньютоновская модель господствовала в науке более двух веков вплоть до появления теории относительности и квантовой механики.

Что думают о гравитации современные ученые

Гравитация является самым слабым из четырех известных на данный момент фундаментальных взаимодействий, которым подчиняются все частицы и составленные из них тела. Помимо гравитационного взаимодействия сюда же входят электромагнитное, сильно и слабое. Исследуются они на основании разных теорий, так, например, в приближенных скоростях небольшой гравитации применяют теорию тяготения еще самого Ньютона. А в общем случае используют общую теорию относительности Эйнштейна. Кроме того, описание гравитации в квантовом пределе должно будет осуществляться при помощи еще не появившейся квантовой теории.

Безусловно, сегодня физика сложна и выходит далеко за рамки представлений об окружающем мире обычного человека. Но интересоваться ей необходимо хотя бы на уровне основных понятий, ведь вполне возможно, что уже в ближайшее время мы можем стать свидетелями удивительных открытий в этой области, которые кардинально изменят жизнь человечества. Будет неловко, если вы вообще не поймете, что происходит.

Мифы о гравитации

Не только незнание, но и постоянные новые открытия в данной научной сфере порождают различные несуразицы и мифы о гравитации. Итак, несколько общепринятых заблуждений об этом уникальном явлении:

  • Искусственные спутники никогда не сойдут с орбиты Земли и будут вечно вращаться вокруг неё. Это неправда. Дело в том, что помимо земного притяжения в космосе имеются и другие различные факторы, влияющие на орбиту тел. Это и торможение атмосферы для низких орбит и гравитационные поля Луны и других планет. Скорее всего, если дать спутнику вращаться без контроля на долгое время, его орбита будет изменяться, и в конечном счете он либо улетит в космические просторы, либо упадет на поверхность ближайшего тела.
  • В космосе отсутствует гравитация. Даже на станциях, на которых космонавты пребывают в невесомости есть довольно сильная гравитация, чуть меньше, чем на Земле. Почему же тогда они не падают? Можно сказать, что сотрудники станции как бы находятся в состоянии постоянного падения, но никак упадут.
  • Объект, приблизившийся к чёрной дыре, будет разорван. Довольно известный миф. Сила притяжение черной дыры действительно увеличится при приближении к ней, но совсем не обязательно, что приливные силы окажутся настолько мощными. Скорее всего они на горизонте событий обладают конечным значением, поскольку расстояние считается от центра дыры.

requesto.ru

Что такое гравитация

Содержание страницы:

Гравитация — это «искривление» пространства. Чем больше масса, тем большее «искривление» пространства и, следовательно, в это «искривление» «скатываются» более легкие объекты. Все объекты, обращающиеся вокруг Солнца, удерживаются на своих орбитах с помощью гравитации. Но она не только выполняет функции некоей привязи, но ещё и стала той силой, что создала эти объекты. Сила тяготения не позволяет планетам выбирать путь по своему усмотрению, закольцевав их орбиты. Но зависимость от этой силы уменьшается экспоненциально – при удалении в два раза, воздействие ослабляется в четыре раза, а утроение удаления ослабляет силу уже в девять раз.

Ньютон напрямую ассоциировал гравитацию с силой тяжести. К телу приложена сила тяжести, источником которой является иное тело (или тела), а гравитационного поля, как такового, просто не существует. Поскольку гравитация относится к прямому взаимодействию тел, то и определяется она Законом всемирного тяготения. Гравитационному полю придан условный характер, необходимый лишь для расчётов. Для земных условий это вполне допустимо.

Гравитация от Эйнштейна

Гравитационное воздействие описывал ещё Аристотель. Он полагал, что скорость падения предмета зависима от его массы. Но лишь Галилей смог понять, что любое тело имеет равное значение ускорения. А Эйнштейн развил это утверждение в своей теории относительности, описав гравитацию с понятием геометрии пространства-времени.

В классическом представлении сила гравитационного взаимодействия двух точек имеет вид зависимости массы этих точек от расстояния в квадрате между ними. Чем больше тело, тем большее гравитационное поле оно может создать.

Хотя гравитация – взаимодействие очень слабое, но действие её распространяется на любые расстояния.

Гравитационное притяжение универсально по характеру воздействия на материю, нет объектов, не имеющих его. Эйнштейн постулировал, что гравитационные эффекты обуславливаются не силовыми влияниями тела или поля, находящегося в пространстве-времени, а изменениями в самом пространстве-времени. Всё это происходит из-за наличия массы-энергии. По теории Эйнштейна, масса и энергия – это единый параметр тел. Их связывает всем известная формула: Е = m•с² Два массивных тела, взаимодействуя между собой, будут искривлять пространство. Но почему происходит это искривление, Эйнштейн ответа дать не смог. Гравитация, в силу своей глобальности, отвечает за явления крупных масштабов. Это галактические структуры, чёрные дыры, расширяющаяся Вселенная. Но и простые факты астрономии, – планетные орбиты, земное притяжение, падение тел, – тоже зависимы от гравитации.

Небесная механика

Эта часть механики изучает движение тел, находящихся в ничем не заполненном пространстве, на которые действует только гравитация. Самая простая задача раздела – обоснование гравитационного влияния двух тел, точечных или сферических, в пустом пространстве. Если же тел, которые взаимодействуют друг на друга, большее количество, задача усложняется. Численное решение приводит к неустойчивости решений от начальных условий. То есть, применив её к нашей планетной системе, мы не сумеем предугадать планетные движения на периоды, превысившие сто миллионов лет. Описание долговременного поведения системы, состоящей из многих притягивающихся тел с похожей массой, пока невозможно. Этому мешает понятие: динамический хаос.

Гравитационные волны

Гравитационные волны — изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Излучаются движущимися массами, но после излучения отрываются от них и существуют независимо от этих масс. Математически связаны с возмущением метрики пространства-времени и могут быть описаны как «рябь пространства-времени». Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности. Впервые они были непосредственно обнаружены в сентябре 2015 года двумя детекторами-близнецами обсерватории LIGO, на которых были зарегистрированы гравитационные волны, возникшие, вероятно, в результате слияния двух чёрных дыр и образования одной более массивной вращающейся чёрной дыры.

Гравитон

Поскольку гравитационное взаимодействие присутствует, оно должно как-то переноситься. В 30-х годах ХХ века кандидатом в переносчики стал гравитон. Эта частица пока ещё гипотетическая, но она должна иметь спин 2 и два вероятных направления поляризации. Некоторые физики упорно отвергают существование этой частицы. Они предполагают: если гравитоны имеются, то их должны излучать чёрные дыры, а это вступает в противоречия с ОТО. Но попытки расширить стандартную модель такими частицами сопряжены с реальными трудностями в области высоких энергий. На решении этой задачи основаны некоторые разрабатываемые теории квантовой гравитации. По их положениям гравитоны — состояние струн, а отнюдь не точечные частицы. Но низкие энергии их всё же причисляют к частицам точечным. Пока гравитоны обнаружены не были, потому что гравитационные влияния их необычайно слабы.

Квантовая гравитация

Универсальной квантовой теории, объяснившей бы само понятие гравитации, ещё не разработано. Для представления гравитационного взаимодействия было бы вероятно предложить гравитонный обмен, в котором гравитоны выступают в качестве калибровочных бозонов со спином 2. Но такая теория не считается удовлетворительной. На существующее время есть несколько подходов, разрешающих квантование гравитации. Эти подходы считаются достаточно перспективными.

  • Теория струн. Она заменяет частицы фона пространства-времени на струны и браны (подобие струн). Для решения многомерных задач, браны видятся как частицы уже многомерные, но в тоже время они и структуры пространства-времени. Гравитоны здесь становятся состоянием струн, а не отдельными частицами. Хотя низкие энергии их к ним и причисляют.
  • Петлевая квантовая гравитацияЗдесь время и пространство являются дискретными частями. Они не привязаны к фону пространства-времени, являясь квантовыми пространственными ячейками. Они между собой соединены таким образом, что в малых временных масштабах представляются дискретной структурой пространства. При укрупнении масштабов, части плавно становятся непрерывным пространством-временем. Петлевая гравитация способна описать сущность Большого взрыва, а также пролить свет на его преддверие. Это даже позволяет обходиться без привлечения бозона Хиггса.

Сильные гравитационные поля

В очень сильных гравитационных полях могут быть проявления некоторых эффектов ОТО:

  • закон тяготения отклоняется от ньютоновского
  • появляются гравитационные волны
  • есть эффекты нелинейности
  • видимое пространство-время изменяет свою геометрию
  • возможно появление сингулярностей и рождение чёрных дыр.

Но такие проявления могут иметь место лишь в том случае, если гравитация имеет силу бесконечно большую. Пока что наиболее плотными объектами Вселенной, которые удалось обнаружить, являются нейтронные звёзды. В одной из многих теорий гравитационное поле рассматривается в качестве основы для любого поля – магнитного, электрического, глюонного. В таком случае гравитоны становятся базовыми элементами материи. Ну, а чёрная дыра является гравитонной звездой, где силой тяготения разрушаются абсолютно все элементарные частицы, кроме гравитонов. И остаётся лишь одно свойство – гравитация.

Гравитационный коллапс

Когда массивное тело, испытывая гравитационные силы, катастрофически быстро сжимается, происходит его коллапс. Так может закончиться жизнь звезды, имеющей массу более трёх солнечных. Когда в звездах заканчивается запас топлива для продолжения термоядерного процесса, их механическая устойчивость нарушается, и происходит стремительное, с ускорением, сжатие к центральной части. Если давление внутри звезды, которое постоянно растёт, сможет остановить сжатие, то центральная часть светила превратится в нейтронную звезду. При этом возможно сбрасывание оболочки и вспыхивание сверхновой. Но при превышении звездой массы, определённой пределом Оппенгеймера-Волкова, коллапс закончится преобразованием её в чёрную дыру. Значение данного предела пока точно не установлено.

Некоторые парадоксы

  1. Вращающийся вокруг Земли спутник, по отношению к планете, невесом. И всё, что в нём находится, также невесомо. Луна, относительно Земли, опять же невесома, но тела на её поверхности весом уже обладают. Тоже самое и с Землёй. Она невесома относительно Солнца, но мы на ней вес ощущаем. Солнце тоже невесомо относительно галактического ядра. И так – до бесконечности.
  2. В звёздах, в процессе термоядерных реакций, создаётся огромное давление. Но оно сдерживается гравитационными силами. То есть, существование звезды возможно потому, что присутствует динамическое равновесие: температура-давление – гравитационные силы.
  3. В чёрной дыре прекращаются все процессы, кроме одного – гравитации. Её ничто не может поглотить или искривить.

light-science.ru

Что такое гравитация и гравитационные волны. - Научные статьи - Каталог статей

1.1. Гравитация – это не притяжение или что такое гравитация.

То, что тяготение не может быть притяжением, видно уже по тому, что в земных условиях не останавливается маятник и что тяготение вовсе не мешает передвигаться по планете. Более того, при выводе закона всемирного тяготения И. Ньютон рассматривал «ускорение» свободного падения в отношении именно к орбитальному вращению Луны, выражаемому её центростремительным также «ускорением», но никак не в отношении к некоему линейному притяжению между Землёй и Луной. Но во времена Ньютона не было околоземных орбитальных станций, а потому Ньютону простительно, что он не знал об отсутствии в открытом космосе, где присутствует невесомость, центростремительной и центробежной силы, а значит, - и центростремительного «ускорения». Нынешнему же поколению уже должно быть ясно, что в условиях космоса (на орбитальной станции) невозможно, например, раскрутить предмет привязанной к нему верёвкой, создав центростремительную силу и «ускорение». Должно осознаваться и то, что при падении тела наблюдается невесомость, исключая всякое предположение о некоем «ускоренном» падении. Ведь любое ускорение тела проявляет его массу, чем исключается невесомость тела.

Отсюда неверно и предположение о некоем «равноускоренном» падении (и вообще о «равноускоренном» движении), тем более что и физически невозможно создать для разных масс одинаковое ускорение при одном и том же воздействии на них. Вот потому ещё Галилей установил, что все тела (независимо от их массы) в вакууме (без учёта сопротивления атмосферы) падают одинаково. Это означает, что тяготение нужно рассматривать проявлением подвижной полевой структуры пространства поворотно-вращательного свойства, а не притяжением между телами. А закон Ньютона отражает не некую силу «гравитационного притяжения» любых двух частиц - а их поворотное взаимно-центрическое вращение, как проявление исходного поворотного взаимо-центризма полевого пространства, называемого в теории различения квантовым или пространственно-полевым переходом (п-п переходом). В этом и состоит гравитация или тяготение. Тяготение в связи с этим подразумевает именно вращательное (трёхцентричное) тяготение космических тел к общему или к взаимному центру их вращения, а не их притяжение друг к другу. Только во вращении тел вокруг взаимного центра возможно равное тяготение (по И. Ньютону), как единое вращение. А вращение этого вращения, как единого целого, вокруг второго центра (окружного центра системы, считаемого «барицентром») и вращение второго центра вокруг доминантной планеты, как третьего центра, образует полевое само-поддержание такого поворотного взаимо-центрического вращения.Примерная схема такого трёхцентричного взаимо-центризма приведена ниже на примере солнечно-земного вращения. К тому же равного притяжения между телами (если бы оно и было) с разными массами быть не может, кроме того притяжение исключает вращение (невозможно, например, вращать притягивающиеся магниты).

Притяжение, разумеется, также проявляет гравитационную полевую структуру пространства поворотно-взаимно-центрического свойства. Но притяжение (как и отталкивание) наблюдается во взаимодействии с молекулярной или с ядерной структурой тел - полей, образованных вокруг относительно неподвижных тел. Такие поля невозможны без тел и здесь наблюдается именно взаимодействие полей. Гравитация же космических тел наблюдается вокруг тел вращающихся, причём вращающихся как раз за счёт такой полевой гравитации. Потому космическая гравитация может наблюдаться и без космических тел, например, в виде полевой сферы смещения Меркурия (имитирующей его спутник, см. 5., стр. 329). Тела, находящиеся, в связи с этим, под воздействием космической гравитации подвержены именно одностороннему воздействию в виде, так сказать, гравитационного потока из-за чего и падают одинаково без учёта влияния атмосферы. Односторонность воздействия космической гравитации и не была акцентирована, в частности, А. Эйнштейном. Это значит, что космические поля как бы нисходят на тела, что касается, например, и магнитного поля Земли. Рассмотрение же магнитного поля Земли исходящим от её ядра абсурдно уже тем, что в таком случае притягивались бы к поверхности планеты подверженные магнетизму тела и материалы.

Ньютон, в силу его времени, писал о равном тяготении тел, не акцентируя их реальное вращательное тяготение, равняя тяготение (исходя из наблюдения силы тяжести) с притяжением тел друг к другу (по его словам, «как одно тело тяготеет к другому, так и второе тяготеет к первому»). Взаимное лунно-земное вращение и образует зависимость характеристик этого вращения именно от квадрата расстояния между центрами тел Луны и Земли, как вращательного взаимного сопряжения этого расстояния при взаимном вращении тел вокруг друг друга (и вокруг общего центра вращения). При этом центростремительное «ускорение» и «ускорение» свободного падения необходимо рассматривать не ускорениями, а вращательными полевыми зарядами. Не может быть и некоей гравитационной «постоянной» величины «G», которая отражает не взаимодействие масс на расстоянии, а - взаимодействие молекулярных полевых оболочек твёрдых тел, причём - в их непосредственном контакте. Это установлено Г. Кавендишем ещё в 1798-м году, к тому же - в контакте не притягательного, а также вращательного свойства (и именно взаимно-центрического свойства, исходя из схемы Кавендиша в виде поворотного коромысла).

Т.е., гравитация или тяготение - это вовсе не взаимодействие масс, а воздействие именно на них (на массы) подвижной полевой структуры пространства, проявляемой поворотной (инверсионной) взаимно-центрической структурой полевого вращения. Отсюда сила тяжести - это лишь одно из проявлений гравитации или тяготения, поскольку до образования силы тяжести действует сила падения, независящая от массы и единая для всех тел, будучи этим явно полевого происхождения. Но фактическое не различение понятия массы и силы тяжести (из-за назначения эталона массе в виде платиноиридиевой гири) и выражение силы тяжести притяжением привело к не различению и силы тяжести, и силы падения, и силы орбитального вращения (инвертирующейся в силу падения). Причиной такого не различения стало и то, что наблюдаемые в космосе взаимно-центрические вращения обозначают движением вокруг общего «центра масс», как фактически некоего центра тяжести (и это в невесомости космоса!).

Вот явный пример нулевого понимания того, что такое гравитация, когда утверждается, что, мол, движение по орбите и есть падением, только замедленным падением из-за движения по орбитальной окружности, вследствие чего и наблюдается на орбите невесомость. Но разве орбитальные станции падают? Наоборот, они вращаются, медленно приближаясь к Земле. И, если это «падение» составляет лишь несколько процентов от общей спиральной траектории, то оно и не может быть падением, а вращением, находящимся под слабым воздействие поля силы тяжести. А движение по геостационарной орбите и выше, где уже вообще нет никакого снижения, которое некорректно называют "медленным" падением? Разве там нет невесомости? Там такая же невесомость и уже с полным отсутствием действия поля силы тяжести, но поле планетного вращения остаётся (поскольку продолжается орбитальное вращение). Всё это и означает, что космическая гравитация никак не может быть притяжением.

Наиболее близко к пониманию полевой подвижной структуры пространства подошёл А. Эйнштейн. При этом, хотя он и писал о мировых линиях, как уже искривлённых (что означало не что иное, как силовые полевые линии), но обозначал обоюдное воздействие пространства на массы и воздействие масс на пространство. Здесь он явно был под влиянием не различения равенства действия и противодействия и не различения понятия массы и силы тяжести. Равенство действия и противодействия может означать только одно: наличие силовой полевой сферы с равными, разнонаправленными и диаметрально расположенными векторами, что и создаёт движение (см.1, стр.91). Обоюдное же равное воздействие не может дать движение, поскольку при этом отсутствует источник этого движения. Вот потому не курица, и не яйцо были прежде, а именно - полевая структура курицы. Вот потому в реальности имеет место односторонне воздействие полевой структуры пространства на массу. Тело не может воздействовать на его падение и на его орбитальное вращение, а наоборот, увлекается общим для всех тел падением и - таким же орбитальным вращением. К тому же масса составляет лишь менее пяти процентов от наблюдаемого крупномасштабного космоса. Так какое же здесь обоюдное равное воздействие?

1.2. Гравитационные волны и сущность «ускорения» свободного падения.

Природа гравитации или тяготения согласно теории различения - это полевая структура пространства поворотно-вращательного свойства. Но даже основатель теории электромагнитных (фоновых) Дж. Максвелл называл эту структуру некоей средой, отрывая тем самым полевую структуру пространства от самого пространства. А ведь ещё И. Ньютон назвал пространство и время "вместилищами самих себя", что и было, по сути, обозначением полевой структуры пространства, образующей самое себя или существующей за счёт его (пространства) постоянной фазовой инверсии. В связи с этим видимое нами вещество можно назвать следом такой инверсии в виде проявления единого пространства-вещества (видимого нам и невидимого). Уже фотон имеет спин, равный единице, как полное окружное полевое вращение, спин гравитона (выражающий «Ньютоний» в эфирной теории) равен двум, он уже не уловим для нашего мира. И проявляется он частицей только за счёт поворотности полевого пространства (через образование его тору подобной формы). Гравитон (размер которого определён в теории различения на основе физики различения) потому можно исследовать только на ментальном (представимом и сопоставляемом) уровне, на уровне различения.

Обнаружение же гравитационных волн – это и есть обнаружение полевой взаимно-центрической структуры планетного вращения, что воспринимается вращением космических тел вокруг их некоего общего «центра масс». Это доказывает и то, что в качестве эталона для обнаружения волнового (а в реальности структурного) смещения применялся протон, размер которого ка раз сравним с квадрупольным размером вращения гравитона 3,47*10ˉ17 «м», исходящим из формулы оборотного маятника и световой длительности (см.1, стр.126). И, если обратиться к схеме оборотного маятника (см. рисунок ниже), где определяется заряд поля силы тяжести (называемый «ускорением» свободного падения), то одинаковый период колебания двух маятников может быть только при стремлении к взаимному вращению точек подвеса маятников. А это означает, что заряд поля силы тяжести «g» - это вращательный полевой заряд, проявляющийся поворотно- взаимно-центрическим зарядом вращения, зависящим от квадрата радиуса между двумя точками с вращением этого полевого взаимно-центрического вращения вокруг общего центра, будучи этим зарядом объёмного полевого наполнения. Такая характеристика величины «g» проявляется наличием квадрата числа «пи» в формуле оборотного маятника «g=4π²L/Т²», что означает сопряжение приведённого взаимно-центрического полевого вращения (на рис. справа) с общим суточным вращением полевой земной сферы. А поскольку любая полевая сфера имеет центр, то это перпендикулярное вращение взаимно-центрического полевого вращения (обозначающего величину «g») направлено к центру полевой сферы, проявляя поворотность или трёх-центричность взаимо-центризма. В связи с этим в условиях такого проявления величины «g» (9,8 «м/сек²»), как заряд поля силы тяжести, т.е. – в условиях поля силы тяжести и образуется падение тела, а маятник совершает колебательные движения.

Т.о., в поле силы тяжести (на примере оборотного маятника) взаимное вращение двух точек инвертируется во вращение этого вращения (как целого) вокруг общей точки в виде центра Земли. Такое вращение характерно тем, что поддерживает или генерирует самое себя. При этом такая структура полевого вращения (поворотный или трёхцентричный взаимо-центризм) относится и ко всем полям, и ко всему планетному вращению, что наиболее ярко проявляется во вращении взаимно-центрической системы Плутона и Харона (см.5, стр. 44). А вот при рассмотрении величины «g» произведением контурного заряда поля силы тяжести на число «пи» (см.1, стр. 125) или в виде «пи*gо» формула оборотного маятника, как формула контурной величины «gо», становится формулой уже окружного заряда вращения «4пиR/Т²», заряда плоского вращения, называемого центростремительным «ускорением». Но зависимость такого заряда вращения от радиуса остаётся не прямой, а также зависящей от квадрата радиуса, следуя взаимно-центрической зависимости.

Т.е., без перпендикулярного или поворотного сопряжения числа «пи» в формуле оборотного маятника величина «g» проявляется подобием обычного или окружного заряда вращения (центростремительного «ускорения»). Вот потому и условием для геостационарной орбиты (с высотой около 36 000 км.) становится равенство окружного заряда орбитального вращения (центростремительного «ускорения»), выраженного через угловую или частотную скорость (не зависящую от радиуса) с периодом суточного вращения Земли, величине «g», уменьшенной на квадрат отношения искомого радиуса геостационарной орбиты к среднему радиуса Земли. И в этом случае в уменьшенной величине «g» не действует полевая инверсия в виде сопряжения поворотного числа «пи». Т.е. уменьшенная величина «g» здесь выступает уже как окружной или плоский заряд вращения, а поворотность взаимо-центризма проявляется здесь во вращении не двух отдельно взятых точек вокруг общей точки, а – во вращении всей полевой системы или во вращении лунно-земных полевых сфер.

В восприятии же гравитации или тяготения притяжением условие геостационарной орбиты абсурдно выражают через равенство центробежной силы на орбите и гравитационной силы, как силы тяжести на орбите, лежащих на одной векторной линии. А ведь это исключает вообще движения, не говоря о вращении. К тому же абсурдно считать гравитационную силу подобием силы тяжести в невесомости космоса. В реальности же наблюдается равенство именно двух однонаправленных гравитационных сил, имеющих не линейные, а спиральные вектора, которые обозначают полевое вращение и приложены к разным телам. Первая сила – это сила планетного вращения Земли в центре общей лунно-земной полевой сферы, выражаемая угловой или частотной скоростью вращения, не зависимой от радиуса. Вторая сила – это сила гравитационного полевого вращения, приложенная к спутнику и выражаемая окружным зарядом орбитального вращения («ускорением» свободного падения) на соответствующей высоте.

И всё дело - в том, что величину «g» совершенно искусственно подменяют выражением (G*Mз)/R2, где «R» – это средний радиус Земли, а величина «G», как якобы некая гравитационная постоянная, относится не к образованию силы тяжести, а к взаимодействию наружно-молекулярных зарядов свинцовых шаров в опыте Кавендиша (см.6). В гравитации, напомним, как в универсальном всеобщем полевом пространственном взаимодействии, вообще не может быть постоянной величины. В связи с этим некая масса Земли «Mз» (не различимая, кстати, от веса) – это искусственная и ничего не значащая величина, а выражение «G*Mз» в формуле высоты геостационарной орбиты - это также искусственная подмена произведения величины «g» (9,8 «м/сек²») на квадрат среднего радиуса Земли «R2» (в приведении зависимости орбитального радиуса от квадрата расстояния).

Полная величина «g» рассматривается окружным зарядом вращения (называемым центростремительным «ускорением»), коме того, в непосредственной близости от поверхности Земли при сравнении с орбитальным зарядом вращения Луны. Это и послужило основой для вывода закона всемирного тяготения Ньютоном (как именно вращательного или взаимно-центрического тяготения). При этом обратная зависимость гравитационного заряда вращения (называемого «ускорением» свободного падения) от квадрата расстояния означает и взаимоотношение обратных величин – зарядов качения полевых сфер в размерности «м²/сек», явно указывая на взаимо-центричность лунно-земного вращения (см.5, стр. 143). В связи с этим в непосредственной близости от Земли или на высоте около 160 км, как раз и начинается поле силы тяжести, образующее падение тел. Резкой инверсией величины «g», как сферического заряда вращения, в заряд вращения окружной после этой высоты относительной нашей окружной фазы пространства (или относительно нашего восприятия) объясняется период орбитального вращения спутников значительно меньший периода суточного вращения самой Земли. А именно такая высота обусловливается размером наружно-молекулярной оболочки Земли, подобной наружно-молекулярной оболочки свинцовых шаров в опыте Кавендиша (см. 6), что составляет, кстати, как раз около 5% от диаметра, соответствуя в зеркальном или поворотном виде и пяти процентам массового или явно наблюдаемого пространство от всего просматриваемого крупномасштабного космоса.

1.3. Поле силы тяжести, как составная часть гравитации.

В реальности (относительно исходного или сферического пространства) после высоты границы поля силы тяжести (160 км.) величина «g» действует и как окружной, и как сферический заряд вращения, указывая на непрерывность полевого пространства, где его фазы существуют в постоянном переходе друг в друга. В связи с этим можно сказать, что до высоты геостационарной орбиты величина «g», как окружной заряд вращения, опять постепенно инвертирует в заряд вращения сферический, но что происходит лишь относительно исходной полевой фазы пространства, проявляя этим действие поля силы тяжести. Не случайна и высота геостационарной орбиты, поскольку её окружность можно рассматривать в пределах общей лунно-земной полевой сферы (определяющей суточное и годовое вращение Земли) соединением полевых сфер месячного вращения Земли и Луны. Ведь высота геостационарной орбиты (около 36 тыс. км.) из-за взаимно-центрического лунно-земного вращения в свою очередь и вокруг земного окружного центра (воспринимаемого неким «барицентром», но лежащим на высоте около 40 км. – см.5, стр.54), т.е. – как вращения трёхцентричного, складывается из радиуса земной полевой сферы около 29,6 тыс. км. и радиуса Земли (около 6400 км.).

Радиус же земной полевой сферы (с центром в виде центра Земли) исходит из того, что общее и совместное вращение Земли (суточное и годовое) в 12 раз более быстрое относительно лунного орбитального вращения. Вследствие этого в 12 раз должна быть меньше и соответствующая полевая месячная сфера Земли, как совершающая совместное вращение качением относительно лунной полевой сферы. А расположение лунной полевой сферы всего на высоте около 29,6 тыс. км. как раз объясняет её приливное воздействие на Землю. Переход лунно-земной полевой сферы на высоте около 29,6 тыс. км, кроме того, образует эксцентриситет орбит у искусственных спутников Земли. Можно обозначить и суточную полевую сферу Земли, меньшую соответствующей лунной полевой сферы уже в 30 раз., что ещё более увеличивает приливное воздействие Луны.

Поле силы тяжести образуется в пределах наружно-молекулярной оболочки Земли, которая как бы расслаивает пространственно-полевой (п-п) переход, выделяя вращение взаимно-центрического полевого вращения в отдельное движение падения, переходящее затем в образование силы тяжести (при контакте с опорой). И условием наличия поля силы тяжести у космического тела является не только наличие большой наружно-молекулярной оболочки, но и взаимно-центрическое собственное вращение тела. Вот потому у спутников Марса и почти у всех спутников больших планет (например, кроме спутника Сатурна Титана), не имеющих собственного окружного центра во взаимно-центрическом вращении, нет и полноценного поля силы тяжести. И наоборот, у планет, включая Землю и у Солнца, как у имеющих собственный окружной центр (считаемый неким «барицентром») присутствует полноценное поле силы тяжести, которое можно назвать поворотным.

У космических же тел, не имеющих собственного окружного центра (это касается и Луны, как планеты-спутника), поле силы тяжести образуется лишь их окружным вращением или полем планетного вращения, расслаиваемого их наружно-молекулярной оболочкой. В связи с этим их поле силы тяжести можно назвать спиральным. Это значит, что на Луне и на других спутниках тела падают не по параболе, как на Земле, а – по спирали. Т.е., если поднять и отпустить камень на Луне, то он упадёт не вертикально, а с выраженным отлётом в сторону. В связи с этим, исключение перпендикулярной поворотности в структуре такого поля означает и уменьшение его заряда вращения по сравнению с величиной «g» сразу на число «пи». И, если считать плотность Луны и Земли одинаковой, то уменьшение заряда лунного поля силы тяжести состоит ещё и в меньшем (примерно в 3,67 раза) размере Луны. Отсюда заряд поля силы тяжести («ускорение» свободного падения) на Луне около 11,5 раз меньше земного, а не около 6 раз, как принято в теории гелиоцентризма. И, например, на спутнике Юпитера Ио такое слабое поле силы тяжести проявляется в шлейфе вулканической деятельности. При наличии же поворотного поля силы тяжести следы вулканической деятельности оставались бы в атмосфере. Наличием спирального поля силы тяжести объясняются и многие неудачные попытки посадки космических аппаратов на астероиды.

При этом Луна, находясь во взаимно-центрическом вращении с Землёй, сохраняет этим положение своей оси в пространстве, будучи этим именно спутником-планетой. Оси же «чистых» спутников вроде спутников Марса и галилеевых спутников Юпитера всегда направлены на ведущую планету. Необходимо остановиться и на рассмотрении причины синхронности вращения спутников планет с их орбитальным вращением (см. рис. вверху). Теория гелиоцентризма объясняете это явление «приливным захватом» относительно друг друга. Но такой «захват» исключает вращение вокруг оси тел системы. Потому причиной синхронного вращения может быть только вращение качением полевой сферы ведомого тела (спутника) при нахождении этой сферы в составе общей полевой гравитационной сферы ведущего тела (планеты). Этим полевая сфера, например, больших планет и образуется полевыми сферами их спутников в их взаимно качении вокруг друг друга с образованием орбитальных резонансов (для чего спутники и предназначены). А вот Луна совместно с Землёй вращаясь ещё и вокруг земного окружного центра, причём - в обратном направлении по отношению к земному вращению тормозит этим её вращение вокруг своей оси, что выражается в значительной лунной либрации.

Гравитация лунно-земного орбитального вращения имеет и собственную частоту. Она исходит из различения вида электрической постоянной величины «8,85*10‾¹²», как отношения размера вращения электрона «4*10ˉ10» к величине «1,256*36», что есть произведением магнитной метрической частоты электрона (в размерности «1/м») на его скорость качения (см.1, стр. 156). В отношении же к полевым сферам гравитации (начиная с гравитонов) радиус их взаимно-центрического вращения приводится к размерности в км, т.е. выражается, как «36*10³ м2/сек». И отношение произведения «36*10³*1,256» к контурной величине заряда поля силы тяжести (без числа «пи») и даёт значение гравитационной длительности, но в инверсионной размерности частоты: (36*10³*1,256)/3,124 ≈1,44*104 (с‾¹). Величину скорости качения гравитационных полевых сфер «36*10³ м2/сек» можно представить и произведением орбитальной скорости Земли (30 км/сек) на орбитальный коэффициент «1,2» в метрической размерности «м» (см.2, стр. 291).

Здесь величина 36*10³ - это скорость качения гравитонов поля планетного вращения и поля силы тяжести или весовой гравитации в их взаимно-центрическом вращении в размерности «м2/сек». Она образуется приведением орбитальной скорости Земли (30 км/сек) через орбитальный коэффициент «1,2» к размерности в «м». То, что гравитационная частота «1,44*104» - это инверсия гравитационной длительности, объясняется и назначение огромных длин для гравитационных волн. Подобная полевая инверсия отмечается и в длинных фоновых (электромагнитных) волнах (см.1, стр. 233), что означает исхождение гравитационной частоты не снаружи (как у магнитной частоты), а изнутри относительно полевой структуры пространства. Нахождением же контурной частоты молекулярных связей как раз в пределах от 1,44*104 до 2,6*104 «1/сек» (как различения числа Фарадея см.2, стр.206, стр.236) объясняется увлечение гравитацией всех без исключения тел.

Литература и интернет-источники:

1. Занимательное различение (Искажение нашего времени). Книга 1-я. Различение физики и астрономии. Филиппов В.В. 2010-2013.

2. Частотно-контурное строение вещества и его квантовый переход. (Книга 4-я теории различения). Филиппов В.В.2014.

3. Динамическая теория гравитации Теслы.

https://peswiki.com/powerpedia:teslas-dynamic-theory-of-gravity .

4. Советский энциклопедический словарь. Гл. ред. А.М.Прохоров. - М.: Сов. Энциклопедия, 1983.

5. Взаимно-центрическое тяготение пространства (Космофизика теории различения), Том I (Книга 5-я Теории различения). Филиппов В.В. 2014-2017.

6. К правде гравитационной постоянной и как вещество становится ощутимым. (http://exinworld.ucoz.ru).

kosmos-x.net.ru

Что такое гравитация

Что такое гравитация? Даже не знаю, с какого определения начать, чтобы вам было более понятно. Гравитация описывает взаимодействие между всеми телами. Это искривление пространства, благодаря которому объекты с меньшей массой притягиваются к более большим.

Представьте натянутое в воздухе полотно, скатерть, что угодно. Его держат за четыре угла параллельно земле, поэтому оно кажется вполне ровным. Что будет, если бросить на это полотно яблоко? Правильно, оно деформирует ткань, образуя искривление. Так вот, если полотно – это пространство, а яблоко, скажем, - Земля, то не нужно быть семи пядей во лбу, чтобы понять, что тяжелое по меркам ткани яблоко легко искривляет ее, когда попадает внутрь. Гравитация работает так же, но это еще не все.

Давайте добавим к нашему яблоку грецкий орех. Просто бросаем его на полотно в любую точку. Что произойдет дальше? Он, естественно, скатится к яблоку, так как его масса намного больше. Представьте, что орех – это наша Луна. По той же самой причине она вертится вокруг Земли. Под действием гравитации более легкие объекты как бы «скатываются» в пространстве к более тяжелым. Если мы бросим на полотно не орех, а скажем, небольшой арбуз, то все будет в точности наоборот – яблоко притянется к нему, как Земля к Солнцу.

Именно сила тяготения не дает планетам солнечной системы и всех других разлететься по космосу, «закрепляя» их около близлежащих звезд. Она же позволяет нам ходить по земле и не улетать в небо при сильном прыжке. Однако, чем мы дальше от массивного объекта, тем гравитация слабее. Так объясняется невесомость в МКС на орбите нашей планеты.

Всем вам наверняка известно про Ньютона и его рассуждениях насчет гравитации. Он считал ее одним и тем же с силой тяжести. Но это не так. Гравитация, как вы помните из начала этой статьи, описывает прямое взаимодействие между всеми телами во Вселенной. Ньютон в свое время еще не знал о существовании гравитационных полей. Гравитация определяется Законом всемирного тяготения и в земных условиях гравитационное поле носит условный характер, который нужен лишь в вычислениях.

Гравитация от Эйнштейна

Задолго до Ньютона и Эйнштейна о гравитации говорил еще Аристотель. Он выдвинул теорию о том, что скорость падения объекта напрямую зависит от его массы. Но о том, что ускорение свободного падения одинаково для всех, он не знал. Об этом догадался только Галилей.

Далее в Общей теории относительности (ОТО) Эйнштейн более подробно описал гравитацию, связав ее с пространством-временем. Да-да, так как они неразрывны, гравитация искривляет не только материю, но и время. Из-за этого время в космосе идет медленнее.

Гравитация от Эйнштейна

Вы помните, что орехи скатываются к яблокам и все такое, но в таком случае, почему Луна до сих пор не рухнула на Землю? Потому что сила гравитационного взаимодействия крайне слаба, но действует на абсолютно любые расстояния. Она даже имеет четкую формулу для расчета: Fg=G(m1m2/r2) – то есть это зависимость масс двух объектов от квадрата расстояния между ними, умноженная на гравитационную постоянную. Эту формулу учат в школьном курсе физики, если что. Из этого следует, что чем больше масса тела, тем большее гравитационное поле оно может создать.

В таком случае, многие могут спросить: «почему Луна не падает на Землю под действием гравитации?». Взгляните на формулу – что такое G? Это гравитационная постоянная, равная 6,67408×10-11 м3кг-1с-2. Даже если все здесь кажется вам лютейшим бредом, то 10-11 более наглядно выглядит так: 0,00000000001. Вы отдаете себе отчет в том, на сколько это мало? Ровно настолько, что даже Луна не падает на Землю, не говоря уже о том, что вы не можете притягивать к себе мелкие предметы силой гравитационного взаимодействия, которым, кстати, тоже обладаете.

Все объекты во Вселенной так или иначе подвержены гравитации. Именно Эйнштейн заговорил об «искривлении» пространства. Он считал, что подобное взаимодействие не результат влияния сил, а изменений в самом пространственно-временном континууме. Как это происходит? Из-за массы и энергии. Думаю, многие из вас уже поняли, к чему я веду. ОТО гласит о том, что масса и энергия едины, и именно из-за их взаимодействия искривляется пространство-время. Все вы хоть раз в жизни слышали об этой формуле: E=mc2 – она объясняет, как, но не говорит почему. Гравитация – очень обширное понятие. Она отвечает и за земное притяжение нас с вами и за расширение самой Вселенной. Поэтому описать все это каким-то единым законом до сих пор ни у кого не получилось.

Гравитационные волны

На этом можно было бы и закончить, но говорю же, понятие очень обширное, поэтому заварите кофейку, мне еще есть, что вам рассказать. Гравитационные волны излучаются массой, а после существуют сами по себе. Это определенные изменения гравитационного поля.

Чтобы представить, что это такое, достаточно представить, что водная гладь – это пространство-время, а камень – это, допустим, Земля. Бросьте камень на воду – от него пойдет рябь ровными кругами во все стороны. Поместите Землю в космос, она начнет излучать гравитационные волны. Надеюсь, понятно.

Их обнаружили относительно недавно – в 2015 году – благодаря изучению слияния двух черных дыр, из которых образовалась одна более массивная. В этом процессе и «заметили» исходящие от них гравитационные волны.

Черные дыры как гравитационные волны

Гравитон

Если вы еще не устали от потока информации, двигаемся дальше. Мы уже выяснили, что гравитационное взаимодействие определенно есть. Тогда оно должно переноситься какой-либо частицей, логично ведь? Главным кандидатом на эту роль является гравитон – гипотетическая частица, существование которой до сих пор не доказано. Она еще даже официально не существует, а уже породила множество споров в научном сообществе. Некоторые говорят о том, что черные дыры тоже должны излучали бы гравитоны, если бы те существовали, а это противоречит ОТО.

Были предприняты неоднократные попытки расширить стандартную модель, но все они разбились о высоченные энергии. В решении этой задачи могут помочь теории квантовой гравитации, об одной из которых я уже рассказывал. Они говорят о том, гравитоны – одно из состояний струн, а не точечные частицы. Как оно есть на самом деле, никто пока сказать не может, так как никто до сих пор не обнаружил те самые гравитоны из-за их чрезвычайно низкого гравитационного влияния.

Квантовая гравитация

Как вы понимаете, в попытках объяснить принцип действия гравитации одним законом для всей Вселенной, все ученые потерпели фиаско. Поэтому некоторые решили зайти еще дальше и попытаться разгадать эту загадку на квантовом уровне. Спойлер: у них тоже не вышло.

Но теории квантовой гравитации достаточно интересны. Точнее были интересны ровно до тех пор, пока мир не увидел первую настоящую фотографию сверхмассивной черной дыры, которая очень сильно подорвала всю концепцию данных предположений, и в очередной раз подтвердила, что ОТО так-то больше права.

К самым популярным и интересным в данной области относятся теория струн и теория петлевой квантовой гравитации, о которых у меня уже есть две статьи, поэтому здесь на них заострять внимание мы не будем.

Квантовая гравитация

Сильные гравитационные поля

Так почему же ОТО все-таки более права? Потому что в сильных гравитационных полях возникают следующие эффекты, ее подтверждающие:

  • Закон всемирного тяготения сильно разнится с предположениями Ньютона, который о гравитационных полях не знал.
  • Видны гравитационные волны.
  • Появляются эффекты нелинейности.
  • Значительные изменения пространства-времени (нет, вы все еще их не увидите).
  • Зарождаются черные дыры и сингулярности.

И вот как раз недавнее изображение черной дыры добавило еще одно очко в пользу Общей теории относительности Эйнштейна.

Гравитационный коллапс

Гравитационным коллапсом может закончится жизнь очень массивной звезды. В ней больше нет топлива, из-за чего термоядерный процесс прекращается, устойчивость нарушается и происходит стремительное сжатие. Если внутреннее давление звезды справится с этим сжатием, небесное светило продолжит свое существование в качестве нейтронной звезды или вспыхнет как сверхновая.

Если же масса звезды окажется больше предела Оппенгеймера-Волкова, то после гравитационного коллапса она превратится в черную дыру. Если вы хотите знать точные цифры этого предела, то их пока не выяснили. Просто знайте, что это должно быть много… очень… неимоверно.

kosmolog.ru

Что такое гравитация — определение и интересные факты

Каждый человек в своей жизни не раз сталкивался с этим понятием, ведь гравитация это основа не только современной физики, но и ряда других смежных наук.

Изучением притяжения тел занимались многие учёные с античных времен, однако главное открытие приписывается Ньютону и описывается как известная каждому история с упавшим на голову фруктом.

Что такое гравитация простыми словами

Гравитация представляет собой притяжение между несколькими предметами во всей Вселенной. Природа явления бывает разной, так как определяется массой каждого из них и протяженностью между, то есть дистанцией.

Теория Ньютона была основана на том, что и на падающий фрукт, и на спутник нашей планеты действует одна и та же сила — притяжение к Земле. А не упал спутник на земное пространство именно из-за своей массы и удалённости.

Гравитационное поле

Гравитационное поле являет собой пространство, в рамках которого происходит взаимодействие тел по законам притяжения.

Эйнштейновская теория относительности описывает поле, как определенное свойство времени и пространства, характерно проявляющееся при появлении физических объектов.

Гравитационная волна

Это определенного рода изменения полей, которые образуются в результате излучения от движущихся объектов. Они отрываются от предмета и распространяются волновым эффектом.

Теории гравитации

Классической теорией является ньютоновская. Однако, она была несовершенна и впоследствии появились альтернативные варианты.

К ним относятся:

  • метрические теории;
  • неметрические;
  • векторные;
  • Ле-Сажа, который впервые описал фазы;
  • квантовая гравитация.

Сегодня существует несколько десятков различных теорий, все они либо дополняют друг друга, либо рассматривают явления с другой стороны.

Стоит отметить: идеального варианта пока не существует, но постоянные разработки открывают больше вариантов ответов в отношении притяжения тел.

Сила гравитационного притяжения

Базовый расчет следующий – сила тяготения пропорциональна умножению массы тела на другую, между которыми она определяется. Эта формула выражена и так: сила обратно пропорциональна дистанции между объектами, возведенными в квадрат.

Гравитационное поле – потенциально, а значит сохраняется кинетическая энергия. Этот факт упрощает решение задач, в которых измеряется сила притяжения.

Гравитация в космосе

Несмотря на заблуждение многих, в космосе есть гравитация. Она ниже, чем на Земле, но все же присутствует.

Что касается космонавтов, которые на первый взгляд летают, то они в действительности находятся в состоянии медленного падения. Визуально, кажется, что их ничего не притягивает, но на практике они испытывают гравитацию.

Сила притяжения зависит от удаленности, но каким бы большим не было расстояние между объектами, они продолжат тянуться друг к другу. Взаимное притяжение никогда не будет равным нулю.

Гравитация в Солнечной системе

В солнечной системе не только Земля обладает гравитацией. Планеты, а также и Солнце, притягивают к себе объекты.

Так как сила определятся массой предмета, то наибольший показатель у Солнца. Например, если у нашей планеты показатель равен единице, то у светила показатель будет почти равен двадцати восьми.

Следующим, после Солнца, по тяжести является Юпитер, поэтому сила притяжения у него в три раза выше, чем у Земли. Наименьший параметр у Плутона.

Для наглядности обозначим так, в теории на Солнце среднестатистический человек весил бы примерно две тонны, а вот на самой маленькой планете нашей системы – всего четыре килограмма.

От чего зависит гравитация планеты

Гравитационная тяга, как уже указывалось выше – это мощь, с которой планета тянет к себе предметы, расположенные на ее поверхности.

Сила притяжения зависит от тяжести объекта, самой планеты и дистанции, находящейся между ними. Если много километров – гравитация низкая, но она все равно удерживает объекты на связи.

Интересные факты о гравитации

Несколько важных и увлекательных аспектов, связанных с гравитацией и ее свойствами, которые стоит объяснить ребенку:

  1. Явление все притягивает, но никогда не отталкивает – это отличает ее от других физических явлений.
  2. Не бывает нулевого показателя. Невозможно смоделировать ситуацию, в которой не действует давление, то есть не работает гравитация.
  3. Земля спадает со средней скоростью 11,2 километра в секунду, достигнув этой скорости можно покинуть притягивающий колодец планеты.
  4. Факт существования гравитационных волн не был доказан научно, это лишь догадка. Если когда-либо они станут видимыми, то человечеству откроются многие загадки космоса, связанные со взаимодействием тел.

В соответствии с теорией базовой относительности такого ученого, как Эйнштейн, гравитация представляет собой искривление базовых параметров существования материального мира, которое представляет собой основу Вселенной.

Гравитация – это взаимное притяжение двух объектов. Сила взаимодействия зависит от тяжести тел и дистанции между ними. Пока не все секреты явления раскрыты, но уже сегодня существует несколько десятков теорий, описывающих понятие и его свойства.

Сложность изучаемых объектов влияет на время исследования. В большинстве случаев просто берется зависимость массы и дистанции.

1001student.ru

Гравитация – что это такое простыми словами

Объяснение гравитации простым языком

О гравитации знают даже школьники, особенно легко запомнить что это, услышав историю падения яблока на голову Ньютона, которое спровоцировало открытие закона всемирного тяготения. Но простота лишь видимая, на самом деле гравитация – явление сложное.

Попробуем рассказать, что же представляет собой гравитация, а кроме того вспомним о различных заблуждениях и мифах, витающих вокруг данного природного явления. Если изъясняться просто, то гравитацией можно называть притяжение, возникающее между объектами, независимо от точки вселенной, где происходит этот процесс.

Её можно вычислить, но для этого необходимо знать два показателя – массу притягиваемых тел и расстояние между ними.

Ведь от силы гравитационного поля зависит вес тела и придаваемое ему ускорение. Так, на Луне космонавт будет весить приблизительно в шесть раз меньше, чем в момент нахождения на Земле. Соответственно, сила такого поля напрямую зависима от размеров окружаемого им объекта.

Значит, сила притяжения Луны меньше в шесть раз, чем сила притяжения Земли. Обоснование и доказательство этому привел Исаак Ньютон еще в семнадцатом веке.

А было ли яблоко?

Сэр Ньютон подтверждал рассказ о падении на него яблока, но можно предположить, что в момент открытия им физического закона он не был травмирован, поскольку базой для совершения данного открытия стала монография «Математические начала натуральной философии».

В ней выдающийся английский ученый уже описал основные принципы закона тяготения, а также законы механики, которые сформулировал в результате многих лет кропотливого труда. Исаак Ньютон был рассудительным человеком и не торопился выдавать не перепроверенную неоднократно информацию.

Потому между временем, когда он стал размышлять над феноменом земного тяготения и изданием самой монографии, прошло без малого десятилетие. Возможно, что легенда о падающем на голову фрукте действительно имеет в основе реальные события, но голова ученого явно не пострадала.

До Исаака Ньютона многие ученые исследовали принципы притяжения, однако именно он доказал связь тяготения и движения планеты, обосновав с помощью математических расчетов. Таким образом, выяснилось, что и падением фруктов с деревьев, и вращением спутников вокруг планет распоряжается гравитация, способная воздействовать на любые тела во вселенной.

Сделанные Ньютоном открытия послужили основой для возникновения динамики и такого раздела астрономии, как небесная механика. Модель Ньютона использовалась два столетия вплоть до возникновения квантовой механики и теории относительности. 

Современные ученые о гравитации

На сегодняшний день науке известно четыре фундаментальных взаимодействия – сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Этим взаимодействиям починены все виды частиц, а значит и тела, которые они составляют. Причем гравитация – самое слабое из них.

Все они изучаются, при этом используются различные методы и теории, так, при изучении гравитационного тяготения до сих пор используют теорию сформулированную Ньютоном. Естественно, что с развитием науки, находят применение и новые теории, в частности, гравитацию рассматривают и с точки зрения квантовой теории. 

Заблуждения и мифы

Новые открытия, в равной степени, как и отсутствие знаний, могут стать основой для возникновения разнообразных заблуждений и даже возникновения мифов о гравитации. Мы предлагаем вам познакомиться с некоторыми из них.

Считается, что искусственные тела, такие как спутники, не смогут покинуть земную орбиту, и обречены на вечное вращение вокруг земного шара. На самом деле это ошибочное мнение. Кроме притяжения Земли в космосе предостаточно прочих обстоятельств, имеющих возможность повлиять на орбиты тел.

Среди них гравитационные поля прочих планет и природного спутника Земли, атмосферное торможение по отношению к низким орбитам. В случае, если спутник какой-то период времени будет бесконтрольно вращаться, велика вероятность изменения орбиты, а далее вариантов развития событий два – либо он упадет на поверхность самого близкого к нему на тот момент небесного тела, либо отправится путешествовать в космос.

Гравитации в космосе не существует. Однако даже на космических станциях в условиях невесомости присутствует гравитация, просто она значительно меньше земной. А космонавты постоянно падают, но их падение столь незначительно, что незаметно невооруженным глазом. Да и в космосе тела притягиваются друг к другу, ярчайший тому пример – космический мусор.

Тело, которое окажется у черной дыры разорвет. В действительности, сила притяжения черной дыры сильно увеличивается по мере сокращения расстояния между ней и телом, но приливные волны могут и не быть столь мощными.

bystriy-zaym.ru

20 интересных фактов о гравитации — самой загадочной силе Вселенной 

Гравитация — фундаментальная сила, которая воздействует на физические объекты вблизи Земли. Как много вы знаете о ней?

Людям потребовалось не одно тысячелетие, чтобы понять, как работает сила тяготения (закон Ньютона), что она собой представляет, реально ли ее контролировать?

И по сей день наши знания скромны, хотя и позволяют бороздить космические пространства. Готовы узнать больше об одном из самых загадочных явлений?

1. С латинского «гравитация» переводится как «тяжесть».

Это одна из 4-х основополагающих сил в физике, помимо электромагнитной, сильной и слабой ядерной. А еще она самая малозначимая в этой цепочке.

2. Именно сила тяжести контролирует максимальную высоту гор на Земле.

Последние не могут подняться выше 15 км, так как рискуют разрушиться под собственной массой. Кстати, вес человека и других объектов тоже определяет гравитация.

3. Сила тяжести Марса составляет всего 38% от земной силы тяжести, значит, 80-килограммовый человек на Красной планете будет весить каких-то 30 кг.

Разве это не отличный повод для колонизации?

4. Какой бы массы не были объекты (10 или 100 кг), они будут падать на Землю с одинаковой скоростью, поскольку гравитация связана не с весом, а с формой тела.

5. Если вы думаете, что на Луне гравитация слишком слабая, поэтому предметы падают медленнее, чем на Земле, — вы ошибаетесь, все наоборот!

Причина кроется в отсутствии атмосферы — из формулы исключается сопротивление воздуха.

6. Возвращаясь на Землю, многие космонавты не только учатся заново ходить, они напрочь забывают о гравитации!

Поэтому в первые недели акклиматизации спокойно отпускают предметы на весу, забывая, что те могут разбиться.

7. В теории человеческая раса не способна освоить планеты, сила тяжести которых превосходит земную более чем в три раза.

Наши организм не выдержит такого давления, все его функции будут нарушены, что приведет к мучительной смерти.

8. Жизнь без гравитации опасна: в условиях невесомости тело человека стремительно теряет кальций, что делает его кости ломкими и слабыми.

Вот почему космонавтам на МКС приходится соблюдать строгую диету и постоянно тренироваться.

9. В космосе тело человека растет, причина тому — выпрямление позвоночника из-за отсутствия гравитации.

Кстати, именно поэтому марсиане должны быть выше землян — там нет давления силы тяжести. С другой стороны, чем выраженнее гравитация, тем физически сильнее обитатели планеты.

10. Многие земные бактерии в космосе становятся гораздо агрессивнее.

Почему? Чем меньше сила тяжести, тем быстрее прогрессирует болезнь, поэтому астронавты должны быть исключительно здоровыми людьми.

11. При отсутствии гравитации пауки плетут паутину, по форме напоминающую шар.

12. Пламя свечи в невесомости тоже имеет форму сферы, при этом огонь выдает не желтое, а синее свечение.

13. Во Вселенной существуют участки, где сила тяготения искажена, ученые называют их «гравитационными линзами космоса».

Подобная аномалия помогает подробнее изучать самые отдаленные уголки Галактики, многократно увеличивая зону видимости.

14. По предположению астрофизиков, в центре Млечного Пути находится огромная черная дыра, масса которой превосходит массу солнца в сотни миллионов раз.

Эта самая дыра создает сильнейшую гравитацию в Галактике, которую обязательно нужно учитывать при космических расчетах.

15. Гравитация черных дыр настолько мощная, что поглощает все живое, даже свет.

16. Каждый объект во Вселенной — кометы, звезды, планеты — имеет свою силу гравитации, которая обязательно взаимодействует с другими объектами.

Вот почему даже в невесомости сила тяжести всегда присутствует, хотя ее значениями можно пренебречь.

17. На нашей планете сила тяжести распределяется неравномерно из-за того, что Земля постоянно вращается, имеет неоднородную поверхность и разную высоту материков.

А так как полюса Земли сплюснуты, сила гравитации в этих зонах тоже ощутимее, чем на экваторе.

18. Самый низкий показатель гравитации на Земле находится в районе Гудзонова залива.

Подобная аномалия объясняется таянием ледников, которые деформируют земную кору и сдвигают ее массу.

19. Еще один забавный факт: из-за силы тяжести наш мочевой пузырь чувствует куда большее давление на стенки, чем если бы мы летали в невесомости.

Вот почему мы хотим в туалет даже тогда, когда он заполнен всего на треть. Для примера — в космосе астронавты не испытывают нужды, пока их мочевой не переполнится до краев.

20. Кстати, в связи с низкой гравитацией на МКС запрещено пить газированные напитки.

Невесомость меняет принцип распределения газов в желудке, отчего стакан колы может спровоцировать мокрую отрыжку и даже рвоту, и все это месиво будет возвращаться обратно в пищевод. Согласитесь, таких экспериментов никому не пожелаешь.

weekend.rambler.ru

что это такое? Сила гравитации. Гравитация Земли

Человечество издревле задумывалось о том, как устроен окружающий мир. Почему растет трава, почему светит Солнце, почему мы не можем летать… Последнее, кстати, всегда особенно интересовало людей. Сейчас мы знаем, что причина всему - гравитация. Что это такое, и почему данное явление настолько важно в масштабах Вселенной, мы сегодня и рассмотрим.

Вводная часть

Ученые выяснили, что все массивные тела испытывают взаимное притяжение друг к другу. Впоследствии оказалось, что эта таинственная сила обуславливает и движение небесных тел по их постоянным орбитам. Саму же теорию гравитации сформулировал гениальный Исаак Ньютон, чьи гипотезы предопределили развитие физики на много веков вперед. Развил и продолжил (хотя и в совершенно другом направлении) это учение Альберт Эйнштейн - один из величайших умов минувшего века.

На протяжении столетий ученые наблюдали за притяжением, пытались понять и измерить его. Наконец, в последние несколько десятилетий поставлено на службу человечеству (в определенном смысле, конечно же) даже такое явление, как гравитация. Что это такое, каково определение рассматриваемого термина в современной науке?

Научное определение

Если изучить труды древних мыслителей, то можно выяснить, что латинское слово «gravitas» означает «тяжесть», «притяжение». Сегодня ученые так называют универсальное и постоянное взаимодействие между материальными телами. Если эта сила сравнительно слабая и действует только на объекты, которые движутся значительно медленнее скорости света, то к ним применима теория Ньютона. Если же дело обстоит наоборот, следует пользоваться эйнштейновскими выводами.

Сразу оговоримся: в настоящее время сама природа гравитации до конца не изучена в принципе. Что это такое, мы все еще полностью не представляем.

Теории Ньютона и Эйнштейна

Согласно классическому учению Исаака Ньютона, все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массе, обратно пропорциональной квадрату того расстояния, которое пролегает между ними. Эйнштейн же утверждал, что тяготение между объектами проявляется в случае искривления пространства и времени (а кривизна пространства возможна только в том случае, если в нем имеется материя).

Мысль эта была очень глубокой, но современные исследования доказывают ее некоторую неточность. Сегодня считается, что гравитация в космосе искривляет только лишь пространство: время можно затормозить и даже остановить, но реальность изменения формы временной материи теоретически не подтверждена. А потому классическое уравнение Эйнштейна не предусматривает даже шанса на то, что пространство будет продолжать влиять на материю и на возникающее магнитное поле.

В большей степени известен закон гравитации (всемирного тяготения), математическое выражение которого принадлежит как раз-таки Ньютону:

\[ F = γ \frac[-1.2]{m_1 m_2}{r^2} \]

Под γ понимается гравитационная постоянная (иногда используется символ G), значение которой равно 6,67545×10−11 м³/(кг·с²).

Взаимодействие между элементарными частицами

Невероятная сложность окружающего нас пространства во многом связана с бесконечным множеством элементарных частиц. Между ними также существуют различные взаимодействия на тех уровнях, о которых мы можем только догадываться. Впрочем, все виды взаимодействия элементарных частиц между собой значительно различаются по своей силе.

Самые мощные из всех известных нам сил связывают между собой компоненты атомного ядра. Чтобы разъединить их, нужно потратить поистине колоссальное количество энергии. Что же касается электронов, то они «привязаны» к ядру только лишь обыкновенным электромагнитным взаимодействием. Чтобы его прекратить, порой достаточно той энергии, которая появляется в результате самой обычной химической реакции. Гравитация (что это такое, вы уже знаете) в варианте атомов и субатомных частиц является наиболее легкой разновидностью взаимодействия.

Гравитационное поле в этом случае настолько слабо, что его трудно себе представить. Как ни странно, но за движением небесных тел, чью массу порой невозможно себе вообразить, «следят» именно они. Все это возможно благодаря двум особенностям тяготения, которые особенно ярко проявляются в случае больших физических тел:

  • В отличие от атомных сил гравитационное притяжение более ощутимо на удалении от объекта. Так, гравитация Земли удерживает в своем поле даже Луну, а аналогичная сила Юпитера с легкостью поддерживает орбиты сразу нескольких спутников, масса каждого из которых вполне сопоставима с земной!
  • Кроме того, оно всегда обеспечивает притяжение между объектами, причем с расстоянием эта сила ослабевает с небольшой скоростью.

Формирование более-менее стройной теории гравитации произошло сравнительно недавно, и именно по результатам многовековых наблюдений за движением планет и прочими небесными телами. Задача существенно облегчалась тем, что все они движутся в вакууме, где просто нет других вероятных взаимодействий. Галилей и Кеплер - два выдающихся астронома того времени, своими ценнейшими наблюдениями помогли подготовить почву для новых открытий.

Но только великий Исаак Ньютон смог создать первую теорию гравитации и выразить ее в математическом отображении. Это был первый закон гравитации, математическое отображение которого представлено выше.

Выводы Ньютона и некоторых его предшественников

В отличие от прочих физических явлений, которые существуют в окружающем нас мире, гравитация проявляется всегда и везде. Нужно понимать, что термин «нулевая гравитация», который нередко встречается в околонаучных кругах, крайне некорректен: даже невесомость в космосе не означает, что на человека или космический корабль не действует притяжение какого-то массивного объекта.

Кроме того, все материальные тела обладают некой массой, выражающейся в виде силы, которая к ним была приложена, и ускорения, полученного за счет этого воздействия.

Таким образом, силы гравитации пропорциональны массе объектов. В числовом отношении их можно выразить, получив произведение масс обоих рассматриваемых тел. Данная сила строго подчиняется обратной зависимости от квадрата расстояния между объектами. Все прочие взаимодействия совершенно иначе зависят от расстояний между двумя телами.

Масса как краеугольный камень теории

Масса объектов стала особым спорным пунктом, вокруг которого выстроена вся современная теория гравитации и относительности Эйнштейна. Если вы помните Второй закон Ньютона, то наверняка знаете о том, что масса является обязательной характеристикой любого физического материального тела. Она показывает, как будет вести себя объект в случае применения к нему силы вне зависимости от ее происхождения.

Так как все тела (согласно Ньютону) при воздействии на них внешней силы ускоряются, именно масса определяет, насколько большим будет это ускорение. Рассмотрим более понятный пример. Представьте себе самокат и автобус: если прикладывать к ним совершенно одинаковую силу, то они достигнут разной скорости за неодинаковое время. Все это объясняет именно теория гравитации.

Каково взаимоотношение массы и притяжения?

Если говорить о тяготении, то масса в этом явлении играет роль совершенно противоположную той, которую она играет в отношении силы и ускорения объекта. Именно она является первоисточником самого притяжения. Если вы возьмете два тела и посмотрите, с какой силой они притягивают третий объект, который расположен на равных расстояниях от первых двух, то отношение всех сил будет равно отношению масс первых двух объектов. Таким образом, сила притяжения прямо пропорциональна массе тела.

Если рассмотреть Третий закон Ньютона, то можно убедиться, что он говорит точно о том же. Сила гравитации, которая действует на два тела, расположенных на равном расстоянии от источника притяжения, прямо зависит от массы данных объектов. В повседневной жизни мы говорим о силе, с которой тело притягивается к поверхности планеты, как о его весе.

Подведем некоторые итоги. Итак, масса тесно связана с силой и ускорением. В то же время именно она определяет ту силу, с которой будет действовать на тело притяжение.

Особенности ускорения тел в гравитационном поле

Эта удивительная двойственность является причиной того, что в одинаковом гравитационном поле ускорение совершенно различных объектов будет равным. Предположим, что у нас есть два тела. Присвоим одному из них массу z, а другому - Z. Оба объекта сброшены на землю, куда свободно падают.

Как определяется отношение сил притяжения? Его показывает простейшая математическая формула - z/Z. Вот только ускорение, получаемое ими в результате действия силы притяжения, будет абсолютно одинаковым. Проще говоря, ускорение, которое тело имеет в гравитационном поле, никак не зависит от его свойств.

От чего зависит ускорение в описанном случае?

Оно зависит только (!) от массы объектов, которые и создают это поле, а также от их пространственного положения. Двойственная роль массы и равное ускорение различных тел в гравитационном поле открыты уже относительно давно. Эти явления получили следующее название: «Принцип эквивалентности». Указанный термин еще раз подчеркивает, что ускорение и инерция зачастую эквивалентны (в известной мере, конечно же).

О важности величины G

Из школьного курса физики мы помним, что ускорение свободного падения на поверхности нашей планеты (гравитация Земли) равно 10 м/сек.² (9,8 разумеется, но для простоты расчетов используется это значение). Таким образом, если не принимать в расчет сопротивление воздуха (на существенной высоте при небольшом расстоянии падения), то получится эффект, когда тело приобретает приращение ускорения в 10 м/сек. ежесекундно. Так, книга, которая упала со второго этажа дома, к концу своего полета будет двигаться со скоростью 30-40 м/сек. Проще говоря, 10 м/с – это «скорость» гравитации в пределах Земли.

Ускорение свободного падения в физической литературе обозначается буквой «g». Так как форма Земли в известной степени больше напоминает мандарин, чем шар, значение этой величины далеко не во всех ее областях оказывается одинаковым. Так, у полюсов ускорение выше, а на вершинах высоких гор оно становится меньше.

Даже в добывающей промышленности не последнюю роль играет именно гравитация. Физика этого явления порой позволяет сэкономить много времени. Так, геологи особенно заинтересованы в идеально точном определении g, поскольку это позволяет с исключительной точностью производить разведку и нахождение залежей полезных ископаемых. Кстати, а как выглядит формула гравитации, в которой рассмотренная нами величина играет не последнюю роль? Вот она:

F=G x M1xM2/R2

Обратите внимание! В этом случае формула гравитации подразумевает под G «гравитационную постоянную», значение которой мы уже приводили выше.

В свое время Ньютон сформулировал вышеизложенные принципы. Он прекрасно понимал и единство, и всеобщность силы тяготения, но все аспекты этого явления он описать не мог. Эта честь выпала на долю Альберта Эйнштейна, который смог объяснить также принцип эквивалентности. Именно ему человечество обязано современным пониманием самой природы пространственно-временного континуума.

Теория относительности, работы Альберта Эйнштейна

Во времена Исаака Ньютона считалось, что точки отсчета можно представить в виде каких-то жестких «стержней», при помощи которых устанавливается положение тела в пространственной системе координат. Одновременно предполагалось, что все наблюдатели, которые отмечают эти координаты, будут находиться в едином временном пространстве. В те годы это положение считалось настолько очевидным, что не делалось никаких попыток его оспорить или дополнить. И это понятно, ведь в пределах нашей планеты никаких отклонений в данном правиле нет.

Эйнштейн доказал, что точность измерения окажется действительно значимой, если гипотетические часы движутся значительно медленнее скорости света. Проще говоря, если один наблюдатель, движущийся медленнее скорости света, будет следить за двумя событиями, то они произойдут для него единовременно. Соответственно, для второго наблюдателя? скорость которого такая же или больше, события могут происходить в различное время.

Но как сила гравитации связана с теорией относительности? Раскроем этот вопрос подробно.

Связь между теорией относительности и гравитационными силами

В последние годы сделано огромное количество открытий в области субатомных частиц. Крепнет убеждение, что мы вот-вот найдем окончательную частицу, дальше которой наш мир дробиться не может. Тем настойчивее становится потребность узнать, как именно влияют на мельчайшие «кирпичики» нашего мироздания те фундаментальные силы, которые были открыты еще в прошлом веке, а то и раньше. Особенно обидно, что сама природа гравитации до сих пор не объяснена.

Именно поэтому после Эйнштейна, который установил «недееспособность» классической механики Ньютона в рассматриваемой области, исследователи сосредоточились на полном переосмыслении полученных ранее данных. Во многом пересмотру подверглась и сама гравитация. Что это такое на уровне субатомных частиц? Имеет ли она хоть какое-то значение в этом удивительном многомерном мире?

Простое решение?

Сперва многие предполагали, что несоответствие тяготения Ньютона и теории относительности можно объяснить довольно просто, проведя аналогии из области электродинамики. Можно бы было предположить, что гравитационное поле распространяется наподобие магнитного, после чего его можно объявить «посредником» при взаимодействиях небесных тел, объяснив многие несоответствия старой и новой теории. Дело в том, что тогда бы относительные скорости распространения рассматриваемых сил оказались значительно ниже световой. Так как связаны гравитация и время?

В принципе, у самого Эйнштейна почти получилось построить релятивистскую теорию на основе именно таких взглядов, вот только одно обстоятельство помешало его намерению. Никто из ученых того времени не располагал вообще никакими сведениями, которые бы могли бы помочь определить «скорость» гравитации. Зато имелось немало информации, связанной с перемещениями больших масс. Как известно, они как раз-таки являлись общепризнанным источником возникновения мощных гравитационных полей.

Большие скорости сильно влияют на массы тел, и это ничуть не похоже на взаимодействие скорости и заряда. Чем скорость выше, тем больше масса тела. Проблема в том, что последнее значение автоматически бы стало бесконечным в случае движения со скоростью света или выше. А потому Эйнштейн заключил, что существует не гравитационное, а тензорное поле, для описания которого следует использовать намного больше переменных.

Его последователи пришли к выводу, что гравитация и время практически не связаны. Дело в том, что само это тензорное поле может действовать на пространство, но на время повлиять не в состоянии. Впрочем, у гениального физика современности Стивена Хокинга есть другая точка зрения. Но это уже совсем другая история...

fb.ru

Поверхностная гравитация — Википедия

Поверхностная гравитация (англ. surface gravity) — ускорение свободного падения, испытываемое на поверхности астрономического или иного объекта. Поверхностную гравитацию можно рассматривать как ускорение вследствие притяжения, испытываемое гипотетической пробной частицей, находящейся вблизи поверхности объекта и обладающей пренебрежимо малой массой, чтобы не вносить возмущения.

Поверхностная гравитация измеряется в единицах ускорения, которые в системе СИ равны м/с2. Иногда её удобно выражать в единицах земного ускорения свободного падения g = 9,80665 м/с2.[1] В астрофизике поверхностную гравитацию иногда выражают в виде lg g, который представляет собой десятичный логарифм от значения ускорения, выраженного в системе единиц СГС, в которой ускорение измеряется в см/с2.[2] Следовательно, поверхностная гравитация Земли в системе СГС равна 980,665 см/с2, а десятичный логарифм этой величины равен 2,992.

Гравитация на поверхности белого карлика очень сильна, а для нейтронных звёзд она ещё сильнее. Компактность нейтронной звезды приводит к тому, что для неё поверхностная гравитация составляет около 7·1012 м/с2, типичные значения имеют порядок 1012 м/с2, что в 100 000 000 000 раз превышает значение земной поверхностной гравитации. При этом скорость убегания с поверхности нейтронной звезды имеет порядок 105 км/с (треть скорости света).

Масса, радиус и поверхностная гравитация[править | править код]

Поверхностная гравитация различных тел Солнечной системы[3]
(1g = 9,81 м/с2, ускорение свободного падения на Земле)
Название Поверхностная гравитация
Солнце 28,02g
Меркурий 0,38g
Венера 0,904g
Земля 1,00g
Луна 0,1654g
Марс 0,376g
Фобос 0,0005814g
Деймос 0,000306g
Церера 0,0275g
Юпитер 2,53g
Ио 0,183g
Европа 0,134g
Ганимед 0,15g
Каллисто 0,126g
Сатурн 1,07g
Титан 0,14g
Энцелад 0,0113g
Уран 0,89g
Нептун 1,14g
Тритон 0,0797g
Плутон 0,067g
Эрида 0,0677g
67P-CG 0,000017g

В теории гравитации Ньютона сила притяжения, создаваемая объектом, пропорциональна его массе: объект с вдвое большей массой создаёт вдвое большую силу. Сила притяжения в теории Ньютона обратно пропорциональна квадрату расстояния, поэтому удалившийся на вдвое большее расстояние объект создаёт в четыре раза меньшую силу. По аналогичному закону изменяется с расстоянием освещённость, создаваемая точечным источником.

Крупный объект, такой как планета или звезда, обычно имеет круглую форму вследствие достижения гидростатического равновесия (все точки на поверхности обладают одинаковой гравитационной потенциальной энергией). На малых масштабах более высокие области подвергаются эрозии, а осыпающееся вещество откладывается на более низких областях. На больших масштабах планета или звезда целиком деформируется до момента достижения равновесия.[4] Для большинства небесных тел результатом является то, что рассматриваемую планету или звезду можно считать почти идеальной сферой в случае малой скорости вращения. Для молодых массивных звёзд экваториальная скорость вращения может достигать 200 км/с и более, что может приводить к значительной сплюснутости. Примерами таких быстро вращающихся звёзд являются Ахернар, Альтаир, Регул A и Вега.

Тот факт, что многие крупные небесные тела имеют почти шарообразную форму, позволяет относительно несложно вычислять их поверхностную гравитацию. Сила притяжения вне сферически симметричного тела равна силе притяжения точечного тела той же массы, помещённого в центр исходного тела, что было доказано И. Ньютоном.[5] Следовательно, поверхностная гравитация планеты или звезды данной массы примерно обратно пропорциональна квадрату радиуса, а поверхностная гравитация планеты или звезды с заданной средней плотностью приблизительно пропорциональна радиусу. Например, недавно открытая планета Глизе 581 c превосходит Землю по массе в 5 раз, но маловероятно, что поверхностная гравитация также в 5 раз превосходит земную. Если масса данной планеты превосходит земную не более, чем в 5 раз[6] и планета является каменистой с крупным железным ядром, то её радиус примерно на 50% больше земного.[7][8] Гравитация на подобной планете приблизительно в 2,2 раза будет превышать земную. Если же планета ледяная или водная, то радиус вдвое может превышать радиус Земли, вследствие чего гравитация на поверхности превысит земную не более чем в 1,25 раза.[8]

Указанные выше пропорциональности можно выразить формулой

g=mr2,{\displaystyle g={\frac {m}{r^{2}}},}

где g равно поверхностной гравитации, выраженной в единицах ускорения свободного падения для поверхности Земли, m равно массе объекта в единицах массы Земли (5,976·1024 кг), r равно радиусу объекта, выраженному в единицах среднего радиуса Земли (6371 км).[9] Например, Марс имеет массу 6,4185·1023 кг = 0,107 массы Земли и средний радиус 3390 км = 0,532 радиуса Земли.[10] Тогда поверхностная гравитация Марса равна

0,1070,5322=0,38{\displaystyle {\frac {0,107}{0,532^{2}}}=0,38}

в единицах значения для Земли. Если не использовать Землю в качестве тела отсчёта, то поверхностную гравитацию можно определять напрямую из закона всемирного тяготения:

g=GMr2,{\displaystyle g={\frac {GM}{r^{2}}},}

где M — масса объекта, r — его радиус, G — гравитационная постоянная. Если ρ = M/V показывает среднюю плотность объекта, то выражение можно переписать в виде

g=4π3Gρr,{\displaystyle g={\frac {4\pi }{3}}G\rho r,}

поэтому для фиксированной средней плотности поверхностная гравитация g пропорциональна радиусу r.

Поскольку гравитация обратно пропорциональна квадрату расстояния, то космическая станция на высоте 400 км над поверхностью Земли испытывает почти такую же силу притяжения, как и мы на поверхности Земли. Причина, по которой космическая станция не падает на землю, состоит не в том, что на неё не действует притяжение, а в том, что станция находится на орбите в свободном падении.

Объекты, не являющиеся сферически-симметричными[править | править код]

Большинство астрономических объектов не являются абсолютно сферически-симметричными. Одной из причин является то, что данные объекты обычно вращаются, то есть на их форму оказывают совместное влияние сила притяжения и центробежная сила, вследствие чего звёзды и планеты приобретают сплюснутую форму. На экваторе при этом поверхностная гравитация будет меньше, чем на полюсе. Данное явление использовал Хол Клемент в новелле «Экспедиция „Тяготение“», в которой упоминается массивная быстро вращающаяся планета, на которой гравитация на полюсах значительно превышала гравитацию на экваторе.

Поскольку распределение внутреннего вещества объекта может отклоняться от симметричной модели, то мы можем использовать поверхностную гравитацию для получения сведений о внутреннем строении объекта. В 1915-1916 годах на основе данного вывода по методу Лоранда Этвёша осуществлялся поиск нефти около города Гбелы в Словакии.[11], стр. 1663;[12], стр. 223. В 1924 году аналогичный метод использовался для уточнения положения нефтяных полей Nash Dome в Техасе.[12], стр. 223.

Иногда полезно вычислять поверхностную гравитацию простых гипотетических объектов, которые не встречаются в природе. Поверхностная гравитация бесконечных плоскостей, трубок, тонких оболочек и других нереалистичных фигур может использоваться при построении моделей гравитации реальных объектов.

Поверхностная гравитация чёрной дыры[править | править код]

В теории относительности ньютоновское понятие ускорения перестаёт быть чётко определённым. Для чёрной дыры поверхностную гравитацию нельзя определить как ускорение, испытываемое пробным телом на поверхности объекта, поскольку на горизонте событий ускорение стремится к бесконечности. Обычно используется понятие местного собственного ускорения (стремится к бесконечности вблизи горизонта событий), умноженного на коэффициент, связанный с гравитационным замедлением времени (стремится к нулю вблизи горизонта событий).

При рассмотрении поверхностной гравитации чёрной дыры следует определить понятие, аналогичное случаю ньютоновской поверхностной гравитации. Гравитация на поверхности чёрной дыры в общем случае определяется плохо. Можно определить поверхностную гравитацию для чёрной дыры, горизонт событий которой является горизонтом Киллинга.

Для случая статического горизонта Киллинга поверхностная гравитация κ{\displaystyle \kappa } представляет собой ускорение, необходимое для удержания объекта на горизонте событий. Если ka{\displaystyle k^{a}} представляет нормированный вектор Киллинга, то поверхностная гравитация определяется как

ka∇akb=κkb,{\displaystyle k^{a}\,\nabla _{a}k^{b}=\kappa k^{b},}

уравнение записывается для горизонта. Для статичного и асимптотически плоского пространства-времени нормализацию следует выбирать так, чтобы kaka→−1{\displaystyle k^{a}k_{a}\rightarrow -1} при r→∞{\displaystyle r\rightarrow \infty }, а также κ≥0{\displaystyle \kappa \geq 0}. Для решения Шварцшильда мы принимаем такое ka{\displaystyle k^{a}}, что ka∂a=∂∂t{\displaystyle k^{a}\partial _{a}={\frac {\partial }{\partial t}}}, для решения Керра — Ньюмена мы принимаем ka∂a=∂∂t+Ω∂∂φ{\displaystyle k^{a}\partial _{a}={\frac {\partial }{\partial t}}+\Omega {\frac {\partial }{\partial \varphi }}}, где Ω{\displaystyle \Omega } показывает угловую скорость.

Решение Шварцшильда[править | править код]

Поскольку ka{\displaystyle k^{a}} является вектором Киллинга, то ka∇akb=κkb{\displaystyle k^{a}\,\nabla _{a}k^{b}=\kappa k^{b}} соответствует −ka∇bka=κkb{\displaystyle -k^{a}\,\nabla ^{b}k_{a}=\kappa k^{b}}. В координатах (t,r,θ,φ){\displaystyle (t,r,\theta ,\varphi )} ka=(1,0,0,0){\displaystyle k^{a}=(1,0,0,0)}. Переход к системе координат Эддингтона-Финкельштейна v=t+r+2Mln⁡|r−2M|{\displaystyle v=t+r+2M\ln |r-2M|} приводит к виду метрики

ds2=−(1−2Mr)dv2+2dvdr+r2(dθ2+sin2⁡θdφ2).{\displaystyle ds^{2}=-\left(1-{\frac {2M}{r}}\right)\,dv^{2}+2\,dv\,dr+r^{2}\left(d\theta ^{2}+\sin ^{2}\theta \,d\varphi ^{2}\right).}

В общем случае изменения системы координат вектор Киллинга преобразуется как kv=Atvkt{\displaystyle k^{v}=A_{t}^{v}k^{t}}, что даёт вектора s ka′=(1,0,0,0){\displaystyle k^{a'}=(1,0,0,0)} и ka′=(−1+2Mr,1,0,0).{\displaystyle k_{a'}=\left(-1+{\frac {2M}{r}},1,0,0\right).}

Если b = v для ka∇akb=κkb{\displaystyle k^{a}\,\nabla _{a}k^{b}=\kappa k^{b}}, то получаем дифференциальное уравнение −12∂∂r(−1+2Mr)=κ.{\displaystyle -{\frac {1}{2}}{\frac {\partial }{\partial r}}\left(-1+{\frac {2M}{r}}\right)=\kappa .}

Следовательно, поверхностная гравитация для решения Шварцшильда при массе M{\displaystyle M} равна κ=14M.{\displaystyle \kappa ={\frac {1}{4M}}.}[13]

Решение Керра[править | править код]

Поверхностная гравитация для незаряженной вращающейся чёрной дыры равна

κ=g−k,{\displaystyle \kappa =g-k,}

где g=14M{\displaystyle g={\frac {1}{4M}}} является поверхностной гравитацией решения Шварцшильда, k:=MΩ+2{\displaystyle k:=M\Omega _{+}^{2}}, Ω+{\displaystyle \Omega _{+}} равна угловой скорости у горизонта событий. Данное выражение приводит к температуре Хокинга 2πT=g−k{\displaystyle 2\pi T=g-k}.[14]

Решение Керра — Ньюмена[править | править код]

Поверхностная гравитация для решения Керра — Ньюмена равна

κ=r+−r−2(r+2+a2)=M2−Q2−J2/M22M2−Q2+2MM2−Q2−J2/M2,{\displaystyle \kappa ={\frac {r_{+}-r_{-}}{2(r_{+}^{2}+a^{2})}}={\frac {\sqrt {M^{2}-Q^{2}-J^{2}/M^{2}}}{2M^{2}-Q^{2}+2M{\sqrt {M^{2}-Q^{2}-J^{2}/M^{2}}}}},}

где Q{\displaystyle Q} — электрический заряд, J{\displaystyle J} — угловой момент, r±:=M±M2−Q2−J2/M2{\displaystyle r_{\pm }:=M\pm {\sqrt {M^{2}-Q^{2}-J^{2}/M^{2}}}} — расположение двух горизонтов, a:=J/M{\displaystyle a:=J/M}.

Динамические чёрные дыры[править | править код]

Поверхностная гравитация для стационарных чёрных дыр определяется, поскольку все стационарные чёрные дыры обладают горизонтом Киллинга.[15] Недавно были предприняты попытки определения поверхностной гравитации динамических чёрных дыр, чьё пространство-время не является полем Киллинга.[16] На протяжении нескольких лет различными авторами предлагались разные варианты определения. На настоящий момент нет окончательного решения о справедливости каких-либо из определений.[17]

  1. ↑ p. 29, The International System of Units (SI), ed. Barry N. Taylor, NIST Special Publication 330, 2001.
  2. Smalley, B. The Determination of Teff and log g for B to G stars (неопр.). Keele University (13 июля 2006). Дата обращения 31 мая 2007.
  3. Isaac Asimov. The Collapsing Universe (неопр.). — Corgi, 1978. — С. 44. — ISBN 0-552-10884-7.
  4. ↑ Why is the Earth round?, at Ask A Scientist, accessed online May 27, 2007.
  5. ↑ Book I, §XII, pp. 218–226, Newton's Principia: The Mathematical Principles of Natural Philosophy, Sir Isaac Newton, tr. Andrew Motte, ed. N. W. Chittenden. New York: Daniel Adee, 1848. First American edition.
  6. ↑ Astronomers Find First Earth-like Planet in Habitable Zone Архивировано 17 июня 2009 года., ESO 22/07, press release from the European Southern Observatory, April 25, 2007
  7. ↑ The HARPS search for southern extra-solar planets XI. Super-Earths (5 & 8 M_Earth) in a 3-planet system, S. Udry, X. Bonfils), X. Delfosse, T. Forveille, M. Mayor, C. Perrier, F. Bouchy, C. Lovis, F. Pepe, D. Queloz, and J.-L. Bertaux. arXiv:astro-ph/0704.3841.
  8. 1 2 Detailed Models of super-Earths: How well can we infer bulk properties?, Diana Valencia, Dimitar D. Sasselov, and Richard J. O'Connell, arXiv:astro-ph/0704.3454.
  9. ↑ 2.7.4 Physical properties of the Earth Архивная копия от 28 марта 2015 на Wayback Machine, web page, accessed on line May 27, 2007.
  10. ↑ Mars Fact Sheet, web page at NASA NSSDC, accessed May 27, 2007.
  11. ↑ Ellipsoid, geoid, gravity, geodesy, and geophysics Архивировано 28 августа 2003 года., Xiong Li and Hans-Jürgen Götze, Geophysics, 66, #6 (November–December 2001), pp. 1660–1668. DOI 10.1190/1.1487109.
  12. 1 2 Prediction by Eötvös' torsion balance data in Hungary Архивировано 28 ноября 2007 года., Gyula Tóth, Periodica Polytechnica Ser. Civ. Eng. 46, #2 (2002), pp. 221–229.
  13. Raine, Derek J.; Thomas, Edwin George. Black Holes: An Introduction (неопр.). — illustrated. — Imperial College Press, 2010. — С. 44. — ISBN 1-84816-382-7. Extract of page 44
  14. Good, Michael; Yen Chin Ong. Are Black Holes Springlike? (англ.) // Physical Review D : journal. — 2015. — February (vol. 91, no. 4). — P. 044031. — doi:10.1103/PhysRevD.91.044031. — Bibcode: 2015PhRvD..91d4031G. — arXiv:1412.5432.
  15. Wald, Robert. General Relativity (неопр.). — University Of Chicago Press (англ.)русск., 1984. — ISBN 978-0-226-87033-5.
  16. Nielsen, Alex; Yoon. Dynamical Surface Gravity (англ.) // Classical Quantum Gravity : journal. — 2008. — Vol. 25.
  17. Pielahn, Mathias; G. Kunstatter; A. B. Nielsen. Dynamical surface gravity in spherically symmetric black hole formation (англ.) // Physical Review D : journal. — 2011. — November (vol. 84, no. 10). — P. 104008(11). — doi:10.1103/PhysRevD.84.104008. — Bibcode: 2011PhRvD..84j4008P. — arXiv:1103.0750.

ru.wikipedia.org

Классическая теория тяготения Ньютона — Википедия

Класси́ческая тео́рия тяготе́ния Ньютона (Зако́н всемирного тяготе́ния Ньютона) — закон, описывающий гравитационное взаимодействие в рамках классической механики. Этот закон был открыт Ньютоном около 1666 года, опубликован в 1687 году в «Началах» Ньютона.

Закон гласит, что сила F{\displaystyle F} гравитационного притяжения между двумя материальными точками с массами m1{\displaystyle m_{1}} и m2{\displaystyle m_{2}}, разделёнными расстоянием r{\displaystyle r}, действует вдоль соединяющей их прямой, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния[1]. То есть:

F=G⋅m1⋅m2r2{\displaystyle F=G\cdot {m_{1}\cdot m_{2} \over r^{2}}}. (1)

Здесь G{\displaystyle G} — гравитационная постоянная, равная[2]6,67408(31)·10−11 м³/(кг·с²).

В ньютоновской теории каждое массивное тело порождает силовое поле притяжения к этому телу, называемое гравитационным полем.

Гравитационное взаимодействие в теории Ньютона распространяется мгновенно, так как сила тяготения зависит только от взаимного расположения притягивающихся тел в данный момент времени. Также для ньютоновских гравитационных сил справедлив принцип суперпозиции: сила тяготения, действующая на частицу со стороны нескольких других частиц, равна векторной сумме сил притяжения со стороны каждой частицы.

Ещё одно важнейшее свойство классической гравитации — принцип эквивалентности[3]. Его следствием является тот факт, что ускорение, сообщаемое заданному телу тяготением, не зависит от массы этого тела, химического состава и других свойств. Это видно из того, что масса входит одинаково в выражение силы в законе тяготения и в выражении силы через ускорение во втором законе Ньютона. Таким образом, в этой теории ускорение точечного или маленького тела под действием гравитационной силы всегда в точности равно напряжённости гравитационного поля[4], определяемой как отношение g→=F→/m.{\displaystyle {\vec {g}}={\vec {F}}/m.}

Сферически симметричное тело создаёт за своими пределами такое же поле, как материальная точка той же массы, расположенная в центре тела. Внутри сферически симметричной оболочки (имеющей сферическую полость или выделенной условно, являясь реально частью какого-то тела) поле, создаваемое ею[5], имеет нулевую напряженность (и, соответственно, постоянный потенциал), то есть, сферически симметричная оболочка не притягивает находящиеся внутри неё тела, и вообще никак на них не действует посредством гравитации.

Сюда следует добавить и то, очевидное из сказанного выше и третьего закона Ньютона, утверждение, что на сферически симметричное тело гравитация сторонних источников также действует в точности как на точечное тело той же массы, расположенное в центре симметрии. А отсюда следует, что и два сферически симметричных тела конечных размеров притягиваются в точности так же, как точечные тела тех же масс, расположенные в их центрах. Это утверждение оказывается достаточно важным для небесной механики, ведь многие небесные тела имеют именно сферически симметричную форму (пусть и не точно), что, в дополнение к тому, что расстояния между небесными телами часто (обычно) во много раз превосходят их размеры, упрощает применение теории к ним, т.к. сила их взаимодействия (в соответствующем приближении, которое оказывается обычно очень хорошим), а соответственно и ускорение, вычисляется так же просто, как для материальных точек - т.е. просто по формуле (1).

Гравитационное поле в теории Ньютона является потенциальным, в связи с этим для его описания можно использовать гравитационный потенциал φ.{\displaystyle \varphi .} В случае, если поле создаётся расположенной в начале координат точечной массой M{\displaystyle M}, гравитационный потенциал определяется формулой:

φ(r→)=−GMr{\displaystyle \varphi ({\vec {r}})=-G{\frac {M}{r}}}, (1.1)

(здесь потенциал на бесконечности, как это делается обычно, принят равным нулю).

В общем случае, когда плотность вещества ρ{\displaystyle \rho } распределена произвольно, φ{\displaystyle \varphi } удовлетворяет уравнению Пуассона:

Δφ(r→)=−4πGρ(r→){\displaystyle \Delta \varphi ({\vec {r}})=-4\pi G\rho ({\vec {r}})}. (1.2)

Решение данного уравнения[6] записывается в виде:

φ(r→)=−G∫V′ρ(r→′)dV′|r→−r→′|+C{\displaystyle \varphi ({\vec {r}})=-G\int _{V^{\prime }}{\frac {\rho ({\vec {r}}^{\prime })dV^{\prime }}{|{\vec {r}}-{\vec {r}}^{\prime }|}}+C}. (1.3)

Здесь r→{\displaystyle {\vec {r}}} — радиус-вектор точки, в которой определяется потенциал, r→′{\displaystyle {\vec {r}}^{\prime }} — радиус-вектор элемента объёма dV′{\displaystyle dV^{\prime }} c плотностью вещества ρ(r→′){\displaystyle \rho ({\vec {r}}^{\prime })}, а интегрирование охватывает все такие элементы; C{\displaystyle C} — произвольная постоянная; чаще всего ее принимают равной нулю, как это сделано в формуле выше для одного точечного источника.

Сила притяжения, действующая в гравитационном поле на материальную точку с массой m{\displaystyle m}, связана с потенциалом формулой:

F→(r→)=−m∇φ(r→){\displaystyle {\vec {F}}({\vec {r}})=-m\nabla \varphi ({\vec {r}})}. (1.4)

Если поле создаётся точечной массой M{\displaystyle M}, расположенной в начале координат, то на точку массой m{\displaystyle m} действует сила

F→(r→)=−GmMr3⋅r→{\displaystyle {\vec {F}}({\vec {r}})=-G{\frac {mM}{r^{3}}}\cdot {\vec {r}}}. (1.5)

Величина этой силы зависит только от расстояния r{\displaystyle r} между массами, но не от направления радиус-вектора r→{\displaystyle {\vec {r}}} (см. формулу в преамбуле).

Траектория материальной точки в гравитационном поле, создаваемом много большей по массе материальной точкой, подчиняется законам Кеплера. В частности, планеты и кометы в Солнечной системе движутся по эллипсам или гиперболам. Влияние других планет, искажающее эту картину, можно учесть с помощью теории возмущений.

С точки зрения физики, гравитационное поле сильно отличается от электростатического — например, массы всегда притягиваются, а заряды могут и отталкиваться, в гравитации нет аналога таким эффектам, как электростатическая индукция и т. д. Однако классические математические модели обеих теорий во многом сходны, а в ряде случаев даже тождественны. В связи с этим для ньютоновской гравитации применимы по сути все те теоретические конструкции и методы решения задач, которые применяются в электростатике. В этом, формальном (но математически вполне содержательном) смысле, можно сказать, что теория одна[7].

Среди теорем и методов, одинаково имеющих силу (и место для применения) в ньютоновской теории гравитации и электростатике, можно назвать теорему Гаусса, теорему Ирншоу, метод изображений, метод конформных отображений, полностью теорию потенциала, не говоря уже о принципе суперпозиции и других разного рода математических принципах и приёмах.

Ньютоновская гравитация гораздо более точно соответствует эксперименту, чем электростатика — она реже даёт существенную ошибку, и величина этой ошибки обычно гораздо меньше. Также можно заметить, что более общие теории для гравитации и электростатики (это соответственно ОТО и электродинамика) совершенно различны.

Точность закона всемирного тяготения Ньютона[править | править код]

Экспериментальная оценка степени точности закона тяготения Ньютона является одним из подтверждений общей теории относительности.[8] Опыты по измерению квадрупольного взаимодействия вращающегося тела и неподвижной антенны показали[9], что приращение δ{\displaystyle \delta } в выражении для зависимости ньютоновского потенциала r−(1+δ){\displaystyle r^{-(1+\delta )}} на расстояниях нескольких метров находится в пределах (2,1±6,2)∗10−3{\displaystyle (2,1\pm 6,2)*10^{-3}}. Другие опыты также подтвердили отсутствие модификаций в законе всемирного тяготения[10].

Закон всемирного тяготения Ньютона в 2007 г. был проверен и на расстояниях, меньших одного сантиметра (от 55 мкм до 9,53 мм). С учетом погрешностей эксперимента в исследованном диапазоне расстояний отклонений от закона Ньютона не обнаружено[11].

Прецизионные лазерные дальнометрические наблюдения за орбитой Луны[12] подтверждают закон всемирного тяготения на расстоянии от Земли до Луны с точностью 3⋅10−11{\displaystyle 3\cdot 10^{-11}}.

Связь с геометрией евклидова пространства[править | править код]

Факт равенства с очень высокой точностью (10−9{\displaystyle 10^{-9}}) показателя степени расстояния в знаменателе выражения для силы тяготения числу 2{\displaystyle 2} отражает евклидову природу трёхмерного физического пространства механики Ньютона. В трёхмерном евклидовом пространстве площадь поверхности сферы точно пропорциональна квадрату её радиуса[13].

(См. также Ньютон, Исаак#Всемирное тяготение и астрономия).
Закон всемирного тяготения Ньютона

Сама идея всеобщей силы тяготения неоднократно высказывалась и до Ньютона. Ранее о ней размышляли Эпикур, Гассенди, Кеплер, Борелли, Декарт, Роберваль, Гюйгенс и другие[14]. Кеплер полагал, что тяготение обратно пропорционально расстоянию до Солнца и распространяется только в плоскости эклиптики; Декарт считал его результатом вихрей в эфире[15]. Были, впрочем, догадки с правильной зависимостью от расстояния; Ньютон в письме к Галлею упоминает как своих предшественников Буллиальда, Рена и Гука[16]. Но до Ньютона никто не сумел ясно и математически доказательно связать закон тяготения (силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния) и законы движения планет (законы Кеплера).[17].

В своём основном труде «Математические начала натуральной философии» (1687) Исаак Ньютон вывел закон тяготения, основываясь на эмпирических законах Кеплера, известных к тому времени. Он показал, что:

  • наблюдаемые движения планет свидетельствуют о наличии центральной силы;
  • обратно, центральная сила притяжения приводит к эллиптическим (или гиперболическим) орбитам.

Кроме того, Ньютон достиг существенного продвижения в таких практически значимых темах, связанных с тяготением, как проблема фигуры Земли, теория приливов, предварение равноденствий.

Отметим, что теория тяготения Ньютона уже не была, строго говоря, гелиоцентрической. Уже в задаче двух тел планета вращается не вокруг Солнца, а вокруг общего центра тяжести, так как не только Солнце притягивает планету, но и планета притягивает Солнце. Наконец, выяснилась необходимость учесть влияние планет друг на друга.

Теория Ньютона имела ряд существенных отличий от гипотез предшественников. Ньютон не просто опубликовал предполагаемую формулу закона всемирного тяготения, но фактически предложил целостную математическую модель:

В совокупности эта триада достаточна для полного исследования самых сложных движений небесных тел и тем самым создаёт основы небесной механики. До Эйнштейна никаких принципиальных поправок к указанной модели не понадобилось, хотя математический аппарат оказалось необходимым значительно развить. Последующие исследователи достигли также существенного прогресса в небесной механике, и «астрономическая точность» расчётов вошла в поговорку.

В течение XVIII века закон всемирного тяготения был предметом активной дискуссии (против него выступали сторонники школы Декарта) и тщательных проверок. К концу века стало общепризнанным, что закон всемирного тяготения позволяет с огромной точностью объяснить и предсказать движения небесных тел. Генри Кавендиш в 1798 году осуществил прямую проверку справедливости закона тяготения в земных условиях, используя исключительно чувствительные крутильные весы[18]. Важным этапом стало введение Пуассоном в 1813 году понятия гравитационного потенциала и уравнения Пуассона для этого потенциала; эта модель позволяла исследовать гравитационное поле при произвольном распределении вещества[19]. После этого ньютоновский закон стал рассматриваться как фундаментальный закон природы.

Недостатки классической теории тяготения[править | править код]

В то же время ньютоновская теория содержала ряд трудностей. Главные из них следующие.

  1. Необъяснимое дальнодействие: сила притяжения передавалась непонятно как через совершенно пустое пространство, причём бесконечно быстро. По существу ньютоновская модель была чисто математической, без какого-либо физического содержания.
  2. Если Вселенная, как тогда предполагали, евклидова и бесконечна, и при этом средняя плотность вещества в ней ненулевая, то возникает неразрешимый гравитационный парадокс, который поставил под сомнение применимость ньютоновской теории в космологических масштабах.
  3. В конце XIX века обнаружилась ещё одна проблема: расхождение теоретического и наблюдаемого смещения перигелия Меркурия[20].

В течения XVIII—XIX веков делались неоднократные попытки модифицировать или обобщить классическую теорию тяготения — физики изменяли формулу ньютоновского закона, объясняли механизм тяготения участием мирового эфира. По мере осознания принципов теории относительности начались попытки построить релятивистское обобщение теории гравитации. По-видимому, первую чёткую формулировку проблемы опубликовал Анри Пуанкаре в 1905 году:

Возможно ли найти такой закон, который удовлетворил бы условиям, поставленным Лоренцем [имеются в виду преобразования Лоренца] и одновременно сводился к закону Ньютона во всех случаях, когда скорости небесных тел достаточно малы для того, чтобы можно было пренебречь их квадратами (а также произведениями ускорений на расстояния) по сравнению с квадратом скорости света?

Пуанкаре в статье «О динамике электрона» предложил два варианта релятивистского обобщения закона тяготения. Оба они исключали дальнодействие (скорость гравитации совпадала со скоростью света). Историк науки В. П. Визгин в своей монографии пишет[21]:

Релятивистская теория тяготения, развитая Пуанкаре, не привлекла внимания физиков, хотя в принципиальном отношении она была значительным шагом вперед в развитии гравитационной проблемы. Причины этого невнимания, с нашей точки зрения, таковы:

  1. теория не объясняла аномальное смещение перигелия Меркурия;
  2. большинство физиков в 1906—1908 годах не разделяло релятивистской программы;
  3. формально-алгебраический метод построения теории отодвинул на задний план физические аспекты теории;
  4. неоднозначность свидетельствовала о незаконченности теории;
  5. в период преобладания электромагнитно-полевой программы настоящее обобщение ньютоновской теории тяготения требовало использования явного полевого подхода — теория же Пуанкаре не давала уравнений гравитационного поля, из которых можно было получить найденные им лоренц-инвариантные элементарные законы взаимодействия.

Далее наброски релятивистской теории тяготения опубликовали в начале 1910-х годов Макс Абрахам, Гуннар Нордстрём и Альберт Эйнштейн. Все они до создания ОТО не соответствовали данным наблюдений.

Общая теория относительности[править | править код]

На протяжении более двухсот лет после Ньютона физики предлагали различные пути усовершенствования ньютоновской теории тяготения. Эти усилия увенчались успехом в 1915 году — созданием общей теории относительности Эйнштейна, в которой все указанные трудности были преодолены. Теория Ньютона, в полном согласии с принципом соответствия, оказалась приближением более общей теории, применимым при выполнении двух условий:

  1. Гравитационный потенциал в исследуемой системе не слишком велик: φc2≪1{\displaystyle {\frac {\varphi }{c^{2}}}\ll 1}. В Солнечной системе это условие для большинства движений небесных тел можно считать выполненным — даже на поверхности Солнца отношение |φ|/c2{\displaystyle |\varphi |/c^{2}} составляет всего 2,12⋅10−6{\displaystyle 2{,}12\cdot 10^{-6}}. Заметным релятивистским эффектом является только упомянутое выше смещение перигелия Меркурия[22].
  2. Скорости движения в этой системе незначительны по сравнению со скоростью света: vc≪1{\displaystyle {\frac {v}{c}}\ll 1}.

В слабых стационарных гравитационных полях уравнения движения переходят в ньютоновы (гравитационный потенциал). Для доказательства покажем, что скалярный гравитационный потенциал в слабых стационарных гравитационных полях удовлетворяет уравнению Пуассона

ΔΦ=−4πGρ{\displaystyle \Delta \Phi =-4\pi G\rho }.

Известно, что в этом случае гравитационный потенциал имеет вид:

Φ=−12c2(g44+1){\displaystyle \Phi =-{\frac {1}{2}}c^{2}(g_{44}+1)}.

Найдём компоненту тензора энергии-импульса T44{\displaystyle T_{44}} из уравнений гравитационного поля общей теории относительности:

Rik=−ϰ(Tik−12gikT){\displaystyle R_{ik}=-\varkappa (T_{ik}-{\frac {1}{2}}g_{ik}T)},

где Rik{\displaystyle R_{ik}} — тензор кривизны. Для Tik{\displaystyle T_{ik}} мы можем ввести кинетический тензор энергии-импульса ρuiuk{\displaystyle \rho u_{i}u_{k}}. Пренебрегая величинами порядка u/c{\displaystyle u/c}, можно положить все компоненты Tik{\displaystyle T_{ik}}, кроме T44{\displaystyle T_{44}}, равными нулю. Компонента T44{\displaystyle T_{44}} равна T44=ρc2{\displaystyle T_{44}=\rho c^{2}} и, следовательно T=gikTik=g44T44=−ρc2{\displaystyle T=g^{ik}T_{ik}=g^{44}T_{44}=-\rho c^{2}}. Таким образом, уравнения гравитационного поля принимают вид R44=−12ϰρc2{\displaystyle R_{44}=-{\frac {1}{2}}\varkappa \rho c^{2}}. Вследствие формулы

Rik=∂Γiαα∂xk−∂Γikα∂xα+ΓiαβΓkβα−ΓikαΓαββ{\displaystyle R_{ik}={\frac {\partial \Gamma _{i\alpha }^{\alpha }}{\partial x^{k}}}-{\frac {\partial \Gamma _{ik}^{\alpha }}{\partial x^{\alpha }}}+\Gamma _{i\alpha }^{\beta }\Gamma _{k\beta }^{\alpha }-\Gamma _{ik}^{\alpha }\Gamma _{\alpha \beta }^{\beta }}

значение компоненты тензора кривизны R44{\displaystyle R_{44}} можно взять равным R44=−∂Γ44α∂xα{\displaystyle R_{44}=-{\frac {\partial \Gamma _{44}^{\alpha }}{\partial x^{\alpha }}}} и так как Γ44α≈−12∂g44∂xα{\displaystyle \Gamma _{44}^{\alpha }\approx -{\frac {1}{2}}{\frac {\partial g_{44}}{\partial x^{\alpha }}}}, R44=12∑α∂2g44∂xα2=12Δg44=−ΔΦc2{\displaystyle R_{44}={\frac {1}{2}}\sum _{\alpha }{\frac {\partial ^{2}g_{44}}{\partial x_{\alpha }^{2}}}={\frac {1}{2}}\Delta g_{44}=-{\frac {\Delta \Phi }{c^{2}}}}. Таким образом, приходим к уравнению Пуассона:

ΔΦ=12ϰc4ρ{\displaystyle \Delta \Phi ={\frac {1}{2}}\varkappa c^{4}\rho }, где ϰ=−8πGc4{\displaystyle \varkappa =-{\frac {8\pi G}{c^{4}}}}[23]

Квантовая гравитация[править | править код]

Применение принципа корпускулярно-волнового дуализма к гравитационному полю показывает, что гравитационные волны можно рассматривать как поток квантов поля — гравитонов. В большинстве процессов во Вселенной квантовые эффекты гравитации очень малы. Они становятся существенными лишь вблизи сингулярностей поля тяготения, где радиус кривизны пространства-времени очень мал. Когда он становится близким к планковской длине, квантовые эффекты становятся доминирующими. Эффекты квантовой гравитации приводят к рождению частиц в гравитационном поле чёрных дыр и их постепенному испарению[3]. Построение непротиворечивой квантовой теории гравитации — одна из важнейших нерешённых задач современной физики.

С точки зрения квантовой гравитации, гравитационное взаимодействие осуществляется путём обмена виртуальными гравитонами между взаимодействующими телами. Согласно принципу неопределенности, энергия виртуального гравитона обратно пропорциональна времени его существования от момента излучения одним телом до момента поглощения другим телом. Время существования пропорционально расстоянию между телами. Таким образом, на малых расстояниях взаимодействующие тела могут обмениваться виртуальными гравитонами с короткими и длинными длинами волн, а на больших расстояниях только длинноволновыми гравитонами. Из этих соображений можно получить закон обратной пропорциональности ньютоновского потенциала от расстояния. Аналогия между законом Ньютона и законом Кулона объясняется тем, что масса гравитона, как и масса фотона, равна нулю[24][25]. Разница между законом ньютоновского тяготения и законом Кулона (существует два вида электрических зарядов и один вид «гравитационных зарядов» с притяжением между ними) объясняется тем, что спин фотона равен 1{\displaystyle 1}, а спин гравитона равен 2{\displaystyle 2}[26].

  1. ↑ Всемирного тяготения закон // Физическая энциклопедия (в 5 томах) / Под редакцией акад. А. М. Прохорова. — М.: Советская Энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 348. — ISBN 5-85270-034-7.
  2. ↑ National Institute of Standards and Technology | NIST
  3. 1 2 Новиков И. Д. Тяготение //Физический энциклопедический словарь. — под ред. А. М. Прохорова — М., Большая Российская энциклопедия, 2003. — ISBN 5-85270-306-0. — Тираж 10000 экз. — с. 772—775
  4. ↑ Удобство использования физической величины напряженности связано с тем, что она не зависит от конкретного тела, помещаемого в данную точку, (будет одинаковой, если мы поместим в эту точку разные тела разной массы) и, таким образом, является характеристикой только самого поля, не зависящего непосредственно от тела, на которое оно действует (косвенная зависимость может быть за счёт действия самого этого тела на тела-источники поля, и только при изменении в результате этого воздействия их положения).
  5. ↑ То есть, речь не идет, конечно, об экранировке гравитационных полей, создаваемых другими источниками, которые могут находиться как внутри оболочки, так и вне её, а только лишь о том поле, которое создаётся самой оболочкой, именно его напряжённость равна нулю (а поля остальных источников тогда по принципу суперпозиции как раз останутся внутри сферической оболочки неизменными, как будто оболочки нет).
  6. ↑ Это решение естественно получается используя формулу решения с одним точечным источником, приведенную выше, и принцип суперпозиции - то есть просто сложением полей от (бесконечного) множества точечных источников, массой ρdV{\displaystyle \rho dV} каждый, расположенных в соответствующих точках пространства.
  7. ↑ Это утверждение не столько дело вкуса, сколько указание на то, что можно достаточно свободно пользоваться методами и результатами одной теории применительно к другой, невзирая на то, на электростатическом или гравитационном языке всё описано, соблюдая, конечно, минимально необходимую осторожность, когда дело касается их немногочисленных отличий и особенностей.
  8. ↑ Д. Д. Иваненко, Г. А. Сарданашвили Гравитация, М.: Едиториал УРСС, 2004, ISBN 5-354-00538-8
  9. ↑ 10th International conference on General Relativity and Gravitation: Contribut. pap. — Padova, 1983. — Vol. 2, 566 p.
  10. ↑ Тезисы докладов Всесоюзной конференции «Современные теоретические и экспериментальные проблемы теории относительности и гравитации». — М.: МГПИ, 1984. — 308 с.
  11. ↑ Ю. Н. Ерошенко Новости физики в сети Internet (по материалам электронных препринтов), УФН, 2007, т. 177, № 2, с. 230
  12. ↑ Турышев С. Г. «Экспериментальные проверки общей теории относительности: недавние успехи и будущие направления исследований», УФН, 179, с. 3-34, (2009)
  13. Бутиков Е.И., Кондратьев А.С. Физика. Книга 1. Механика. — М.: Наука, 1994. — 138 с.
  14. Клайн М. Математика. Утрата определённости. — М.: Мир, 1984. — С. 66. Архивная копия от 12 февраля 2007 на Wayback Machine
  15. Спасский Б. И. История физики. — Т. 1. — С. 140—141.
  16. ↑ Ход их рассуждений легко восстановить, см. Тюлина И. А., указ. статья, стр. 185. Как показал Гюйгенс, при круговом движении центростремительная сила F∼{\displaystyle F\sim } (пропорциональна) v2R{\displaystyle v^{2} \over R}, где v{\displaystyle v} — скорость тела, R{\displaystyle R} — радиус орбиты. Но v∼RT{\displaystyle v\sim {\frac {R}{T}}}, где T{\displaystyle T}

ru.wikipedia.org


Смотрите также