Гравитация
Гравитация или притяжение — свойство тел с массой притягиваться друг к другу.
Гравитационное взаимодействие слабейшее из фундаментальных взаимодействий, однако ее характерной особенностью является то, что тела, которые имеют массу, всегда притягиваются друг к другу. Притяжения очень больших масс в астрономических масштабах создает значительные силы, благодаря которым мир является таким, каким человек его знает. В частности, гравитация является причиной земного притяжения, в результате которого предметы падают вниз. Законами гравитации определяется движение Луны вокруг Земли и Земли и других планет вокруг Солнца.
Вступление[править]
Современная наука о тяготении начала возникать в эпоху научной революции. Один из основателей естествознания, Галилео Галилей первым начал проводить опыты с падением тел, используя в том числе Пизанскую башню, и скатывания с наклонной плоскости. Своими экспериментами он доказал, что ускорение, которое получают тела в поле тяготения Земли, не зависит от их веса, опровергнув утверждение Аристотеля, что тяжелые тела падают быстрее. Галилей правильно интерпретировал отклонение от своего утверждения (с высокой точностью) как следствие сопротивления воздуха, в то время было невозможно измерить увеличение ускорения с увеличением массы тела. Опыты Галилея открыли путь к Ньютоновой теории всемирного тяготения.
Закон всемирного тяготения был впервые сформулирован Исааком Ньютоном в 1687 году в работе «Математические принципы натуральной философии». Этот закон нашел применение в астрономии. Опираясь на него, Ньютон вывел открытые ранее Кеплером законы движения планет. Теория Ньютона заложила основы динамики Солнечной системы и открыла возможности точного предсказания движения планет, их спутников и комет.
В 1916 году на смену теории Ньютона пришла общая теория относительности, разработанная Альбертом Эйнштейном. В этой теории гравитационное взаимодействие связано с искривлением пространства-времени вблизи массивных тел. Разница между теориями Ньютона и Эйнштейна обнаруживает себя только тогда, когда тела движутся со скоростью близкой к скорости света или гравитационные поля являются очень сильными (например, рядом с нейтронными звездами и черными дырами). Для большинства практических нужд, когда дело касается слабых гравитационных полей и небольших скоростей, ньютонова формулировка является достаточно точной.
Общая теория относительности[править]
→ Общая теория относительности
Общая теория относительности (ОТО) — это релятивистская теория гравитации, опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915 году. В отличие от нерелятивистской Ньютоновский теории тяготения, ОТО пригодна также для описания гравитационного взаимодействия тел, движущихся со скоростями близкими к скорости света. Ее также можно применять в случае сильных гравитационных полей, например, поблизости с нейтронными звездами и черными дырами (но только в том случае, когда можно пренебречь квантовыми эффектами). В ОТО возникает целый ряд новых эффектов в частности таких как замедление течения времени в гравитационном поле, зависимость гравитационного взаимодействия от вращения тел, гравитационные волны и тому подобное.
Общая теория относительности — нелинейная, а это означает, что в общем случае гравитационное поле не имеет свойства аддитивности. Поле, созданное двумя телами не равно сумме полей, созданных этими телами, взятыми отдельно.
В Солнечной системе эффекты ОТО проявляют себя крошечными отклонениями фактических траекторий движения планет и других космических тел (в первую очередь Меркурия) от орбит, рассчитанных в рамках теории Ньютона.
Трудности квантовой теории гравитации[править]
В квантовой теории гравитации взаимодействие передается посредством гравитонов — безмассовых частиц со спином 2 (подобно тому, как электромагнитное взаимодействие в квантовой электродинамике передается с помощью фотонов).
В квантовой теории поля возникают бесконечные величины (расходящиеся интегралы). В отличие от других фундаментальных взаимодействий, в квантовой теории гравитации проблему разногласий не удается решить путем процедуры перенормировок. Это делает квантовую теорию гравитации внутренне противоречивой и непригодной для применения при высоких энергиях частиц.
Непротиворечивая квантовая теория гравитации на сегодняшний день еще не создана.
Принцип эквивалентности[править]
Положение о равенстве гравитационной и инертной масс наводит на мысль об эквивалентности гравитации и движения с ускорением. Действительно, система (например космический корабль или лифт), которая движется с ускорением, равным ускорению свободного падения в гравитационном поле Земли (g), создаёт в этом месте пространства такие же эффекты, что и поле тяготения. Все предметы, находящиеся в этой системе, так же как и тела в поле тяготения, имеют одинаковое по значению и направлению ускорения. Находясь внутри системы, которая ускоренно двигается, нельзя никаким образом отличить движение с ускорением от тяжести. Именно это сходство притяжения движения с ускорением называется принципом эквивалентности Эйнштейна.
Во многом это было известно и до Эйнштейна. Но, во-первых, Эйнштейн распространил принцип эквивалентности с механических явлений на все явления природы (включая, например, свет). Во-вторых, по Эйнштейну сходство тяжести и движения с ускорением рассматривались в молчаливом предположении о мгновенном распространении гравитационного взаимодействия. Задача Эйнштейна состояла в том, чтобы сохранить положение эквивалентности в условиях справедливости сформулированного им самим специального принципа относительности, согласно которому ни один сигнал (в том числе и гравитационное взаимодействие) не может распространяться со скоростью, большей скорости света. Эту задачу он решил в общей теории относительности.
Сильные гравитационные поля[править]
В сильных гравитационных полях, при движении с релятивистскими скоростями, начинают проявляться эффекты общей теории относительности:
- отклонение закона притяжения от ньютоновского;
- появление гравитационных волн;
- эффекты нелинейности;
- изменение геометрии пространства-времени;
- возникновение черных дыр.
Видеогалерея[править]
|
|
|