Gravitacija uopće nije "Zakon univerzalne gravitacije". Značenje riječi gravitacija Neki zaključci Einsteinove teorije gravitacije

Između svih materijalnih tijela. U aproksimaciji malih brzina i slabe gravitacijske interakcije opisuje ga Newtonova teorija gravitacije, u općem slučaju opisuje ga Einsteinova opća teorija relativnosti. U kvantnoj granici, gravitacijska interakcija je navodno opisana kvantnom teorijom gravitacije, koja još nije razvijena.

Enciklopedijski YouTube

1 / 5

✪ Vizualizacija gravitacije

✪ ZNANSTVENICI SU NAS ZAMARALI OD ROĐENJA. 7 buntovnih ČINJENICA O GRAVITACIJI. RAZOTKRIVANJE LAŽI NEWTONA I FIZIČARA

✪ Alexander Chirtsov - Gravitacija: razvoj pogleda od Newtona do Einsteina

✪ 10 zanimljivih činjenica o gravitaciji

✪ Gravitacija

titlovi

Gravitacijsko privlačenje

Zakon univerzalne gravitacije jedna je od primjena zakona inverznog kvadrata, koji se također nalazi u proučavanju zračenja (vidi, na primjer, Svjetlosni tlak), a izravna je posljedica kvadratnog povećanja površine sfera s rastućim polumjerom, što dovodi do kvadratnog smanjenja doprinosa bilo koje jedinice površine površini cijele sfere.

Gravitacijsko polje je, kao i polje gravitacije, potencijalno. To znači da možete uvesti potencijalnu energiju gravitacijskog privlačenja para tijela, a ta se energija neće promijeniti nakon pomicanja tijela duž zatvorene petlje. Potencijalnost gravitacijskog polja povlači za sobom zakon održanja zbroja kinetičke i potencijalne energije i pri proučavanju gibanja tijela u gravitacijskom polju često znatno pojednostavljuje rješenje. U okviru Newtonove mehanike, gravitacijska interakcija je dugodometna. To znači da bez obzira na to kako se masivno tijelo kreće, u bilo kojoj točki prostora gravitacijski potencijal ovisi samo o položaju tijela u određenom trenutku u vremenu.

Veliki svemirski objekti - planeti, zvijezde i galaksije imaju ogromnu masu i stoga stvaraju značajna gravitacijska polja.

Gravitacija je najslabija interakcija. No, budući da djeluje na svim udaljenostima i da su sve mase pozitivne, ipak je vrlo važna sila u Svemiru. Konkretno, elektromagnetska interakcija između tijela na kozmičkoj razini je mala, budući da je ukupni električni naboj tih tijela jednak nuli (materija kao cjelina je električki neutralna).

Također, gravitacija je, za razliku od drugih interakcija, univerzalna u svom djelovanju na svu materiju i energiju. Nisu otkriveni objekti koji uopće nemaju gravitacijsku interakciju.

Zbog svoje globalne prirode, gravitacija je odgovorna za tako velike učinke kao što su struktura galaksija, crne rupe i širenje Svemira, te za elementarne astronomske pojave - orbite planeta, te za jednostavno privlačenje površini planeta. Zemlja i pad tijela.

Gravitacija je bila prva interakcija koju je opisala matematička teorija. Aristotel (IV. st. pr. Kr.) smatrao je da predmeti različite mase padaju različitim brzinama. A tek mnogo kasnije (1589.) Galileo Galilei eksperimentalno je utvrdio da to nije tako - ako se eliminira otpor zraka, sva se tijela jednako ubrzavaju. Zakon univerzalne gravitacije Isaaca Newtona (1687.) dobro je opisao općenito ponašanje gravitacije. Godine 1915. Albert Einstein stvorio je Opću teoriju relativnosti, koja točnije opisuje gravitaciju u smislu geometrije prostorvremena.

Nebeska mehanika i neki njezini zadaci

Najjednostavniji problem nebeske mehanike je gravitacijska interakcija dva točkasta ili sferna tijela u praznom prostoru. Ovaj problem u okviru klasične mehanike rješava se analitički u zatvorenom obliku; rezultat njegova rješenja često se formulira u obliku triju Keplerovih zakona.

Kako se broj tijela koja međusobno djeluju povećava, zadatak postaje dramatično kompliciraniji. Dakle, već poznati problem triju tijela (odnosno gibanja triju tijela s masama različitim od nule) ne može se analitički riješiti u općem obliku. Kod numeričkog rješenja vrlo brzo dolazi do nestabilnosti rješenja u odnosu na početne uvjete. Kada se primijeni na Sunčev sustav, ova nam nestabilnost ne dopušta da točno predvidimo kretanje planeta na skalama većim od sto milijuna godina.

U nekim posebnim slučajevima moguće je pronaći približno rješenje. Najvažniji je slučaj kada je masa jednog tijela znatno veća od mase drugih tijela (primjeri: Sunčev sustav i dinamika Saturnovih prstenova). U ovom slučaju, kao prvu aproksimaciju, možemo pretpostaviti da laka tijela ne djeluju jedno na drugo i da se kreću Keplerovom putanjom oko masivnog tijela. Interakcije između njih mogu se uzeti u obzir unutar okvira teorije poremećaja i prosječne tijekom vremena. U tom slučaju mogu nastati netrivijalni fenomeni, kao što su rezonancije, atraktori, kaos, itd. Jasan primjer takvih fenomena je složena struktura Saturnovih prstenova.

Unatoč pokušajima da se precizno opiše ponašanje sustava velikog broja privlačnih tijela približno iste mase, to se ne može učiniti zbog fenomena dinamičkog kaosa.

Jaka gravitacijska polja

U jakim gravitacijskim poljima, kao i pri kretanju u gravitacijskom polju relativističkim brzinama, počinju se javljati učinci opće relativnosti (GTR):

• mijenjanje geometrije prostor-vremena;
  • kao posljedica, odstupanje zakona gravitacije od Newtonovog;
  • a u ekstremnim slučajevima - pojava crnih rupa;
• kašnjenje potencijala povezano s konačnom brzinom širenja gravitacijskih poremećaja;
  • kao posljedica, pojava gravitacijskih valova;
• učinci nelinearnosti: gravitacija teži interakciji sama sa sobom, tako da načelo superpozicije u jakim poljima više ne vrijedi.

Gravitacijsko zračenje

Jedno od važnih predviđanja Opće teorije relativnosti je gravitacijsko zračenje, čija je prisutnost potvrđena izravnim promatranjima 2015. godine. Međutim, ranije su postojali jaki neizravni dokazi u prilog njegovom postojanju, naime: gubici energije u bliskim binarnim sustavima koji sadrže kompaktne gravitirajuće objekte (kao što su neutronske zvijezde ili crne rupe), posebno u poznatom sustavu PSR B1913+16 (Halsov pulsar - Taylor) - dobro se slažu s modelom opće relativnosti, u kojem se ta energija odnosi upravo gravitacijskim zračenjem.

Gravitacijsko zračenje mogu generirati samo sustavi s promjenjivim kvadrupolnim ili višim multipolnim momentima; ova činjenica sugerira da je gravitacijsko zračenje većine prirodnih izvora usmjereno, što znatno otežava njegovu detekciju. Snaga gravitacije n-izvor polja je proporcionalan (v / c) 2 n + 2 (\displaystyle (v/c)^(2n+2)), ako je višepol električnog tipa, i (v / c) 2 n + 4 (\displaystyle (v/c)^(2n+4))- ako je multipol magnetskog tipa, gdje v je karakteristična brzina kretanja izvora u sustavu zračenja, i c- brzina svjetlosti. Dakle, dominantni moment će biti kvadrupolni moment električnog tipa, a snaga odgovarajućeg zračenja jednaka je:

Gdje Q i j (\displaystyle Q_(ij))- tenzor kvadrupolnog momenta raspodjele mase sustava zračenja. Konstantno G c 5 = 2,76 × 10 − 53 (\displaystyle (\frac (G)(c^(5)))=2,76\puta 10^(-53))(1/W) omogućuje procjenu reda veličine snage zračenja.

Od 1969. (Weberovi pokusi (Engleski)), pokušava se izravno detektirati gravitacijsko zračenje. U SAD-u, Europi i Japanu trenutno postoji nekoliko operativnih zemaljskih detektora (LIGO, VIRGO, TAMA (Engleski), GEO 600), kao i projekt svemirskog gravitacijskog detektora LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Zemaljski detektor u Rusiji razvija se u Dulkyn znanstvenom centru za istraživanje gravitacijskih valova u Republici Tatarstan.

Suptilni učinci gravitacije

Osim klasičnih učinaka gravitacijskog privlačenja i dilatacije vremena, opća teorija relativnosti predviđa postojanje i drugih manifestacija gravitacije, koje su u zemaljskim uvjetima vrlo slabe pa je njihovo otkrivanje i eksperimentalna provjera vrlo teško. Donedavno se činilo da je prevladavanje ovih poteškoća izvan mogućnosti eksperimentatora.

Među njima se posebno može navesti otpor inercijalnih referentnih okvira (ili Lense-Thirring efekt) i gravitomagnetsko polje. Godine 2005. NASA-ina gravitacijska sonda B bez posade provela je precizan eksperiment bez presedana kako bi izmjerila ove učinke u blizini Zemlje. Obrada dobivenih podataka provedena je do svibnja 2011. godine i potvrdila je postojanje i veličinu utjecaja geodetske precesije i otpora inercijalnih referentnih sustava, iako s točnošću nešto manjom od prvobitno pretpostavljene.

Nakon intenzivnog rada na analizi i izdvajanju buke mjerenja, konačni rezultati misije objavljeni su na tiskovnoj konferenciji na NASA-TV 4. svibnja 2011. i objavljeni u Physical Review Letters. Izmjerena vrijednost geodetske precesije bila je −6601,8±18,3 milisekundi lukova godišnje, a učinak uvlačenja - −37,2±7,2 milisekundi luka godišnje (usporedi s teoretskim vrijednostima od −6606,1 mas/godina i −39,2 mas/godina).

Klasične teorije gravitacije

Zbog činjenice da su kvantni učinci gravitacije iznimno mali čak i pod najekstremnijim uvjetima promatranja, još uvijek nema pouzdanih promatranja istih. Teorijske procjene pokazuju da se u velikoj većini slučajeva može ograničiti na klasični opis gravitacijske interakcije.

Postoji moderna kanonska klasična teorija gravitacije - opća teorija relativnosti, te mnoge razjašnjavajuće hipoteze i teorije različitog stupnja razvoja, koje se međusobno natječu. Sve te teorije daju vrlo slična predviđanja unutar aproksimacije u kojoj se trenutno provode eksperimentalna ispitivanja. Slijedi nekoliko osnovnih, najbolje razvijenih ili poznatih teorija gravitacije.

Opća teorija relativnosti

Međutim, opća teorija relativnosti bila je eksperimentalno potvrđena sve do nedavno (2012.). Osim toga, mnogi alternativni pristupi Einsteinovim, ali standardnim za modernu fiziku, pristupima formuliranja teorije gravitacije dovode do rezultata koji se podudaraju s općom relativnošću u niskoenergetskoj aproksimaciji, koja je jedina sada dostupna eksperimentalnoj provjeri.

Einstein-Cartanova teorija

Slična podjela jednadžbi u dvije klase također se pojavljuje u RTG-u, gdje je druga tenzorska jednadžba uvedena kako bi se uzela u obzir veza između neeuklidskog prostora i prostora Minkowskog. Zahvaljujući prisutnosti bezdimenzionalnog parametra u teoriji Jordan-Brans-Dicke, moguće ga je odabrati tako da se rezultati teorije podudaraju s rezultatima gravitacijskih eksperimenata. Štoviše, kako parametar teži beskonačnosti, predviđanja teorije postaju sve bliža općoj teoriji relativnosti, pa je Jordan-Brans-Dickeovu teoriju nemoguće opovrgnuti bilo kojim eksperimentom koji potvrđuje opću teoriju relativnosti.

Kvantna teorija gravitacije

Unatoč više od pola stoljeća pokušaja, gravitacija je jedina temeljna interakcija za koju još uvijek nije konstruirana općeprihvaćena dosljedna kvantna teorija. Pri niskim energijama, u duhu kvantne teorije polja, gravitacijska interakcija može se predstaviti kao izmjena gravitona - bozona kalibra spina 2. Međutim, rezultirajuća teorija nije renormalizacijska, te se stoga smatra nezadovoljavajućom.

Posljednjih desetljeća razvijeno je nekoliko obećavajućih pristupa rješavanju problema kvantizacije gravitacije: teorija struna, petljasta kvantna gravitacija i drugi.

Teorija struna

U njemu se umjesto čestica i pozadinskog prostor-vremena pojavljuju strune i njihovi višedimenzionalni analozi -

Sadržaj članka

GRAVITACIJA (GRAVITACIJA), svojstvo materije koje kaže da između bilo koje dvije čestice postoje privlačne sile. Gravitacija je univerzalna interakcija koja pokriva cijeli vidljivi Svemir i stoga se naziva univerzalnom. Kao što ćemo kasnije vidjeti, gravitacija igra primarnu ulogu u određivanju strukture svih astronomskih tijela u svemiru, osim onih najmanjih. On organizira astronomska tijela u sustave poput našeg Sunčevog sustava ili Mliječne staze, te je temelj strukture samog Svemira.

"Gravitacija" se obično shvaća kao sila stvorena gravitacijom masivnog tijela, a "gravitacijsko ubrzanje" je ubrzanje stvoreno tom silom. (Riječ "masivno" ovdje se koristi u smislu "imati masu", ali dotično tijelo ne mora nužno imati vrlo veliku masu.) U još užem smislu, ubrzanje gravitacije odnosi se na ubrzanje tijelo koje slobodno pada (bez obzira na otpor zraka) na površini Zemlje . U ovom slučaju, budući da se cijeli sustav "Zemlja plus tijelo koje pada" rotira, inercijske sile stupaju na scenu. Centrifugalna sila suprotstavlja se gravitacijskoj sili i smanjuje efektivnu težinu tijela za malu, ali mjerljivu količinu. Ovaj učinak pada na nulu na polovima, kroz koje prolazi Zemljina os rotacije, a doseže maksimum na ekvatoru, gdje je Zemljina površina najveća udaljenost od osi rotacije. U bilo kojem lokalno provedenom eksperimentu, učinak ove sile ne razlikuje se od prave sile gravitacije. Stoga izraz "gravitacija na površini Zemlje" obično označava kombinirano djelovanje prave gravitacije i centrifugalne reakcije. Pogodno je proširiti pojam "gravitacija" na druga nebeska tijela, govoreći, na primjer, "gravitacija na površini planeta Marsa".

Ubrzanje sile teže na površini Zemlje iznosi 9,81 m/s 2 . To znači da svako tijelo koje slobodno pada blizu površine Zemlje povećava svoju brzinu (ubrzava) za 9,81 m/s za svaku sekundu pada. Ako je tijelo započelo slobodni pad iz stanja mirovanja, tada će do kraja prve sekunde imati brzinu od 9,81 m/s, do kraja druge 18,62 m/s itd.

Gravitacija kao najvažniji čimbenik u strukturi svemira.

U strukturi svijeta oko nas gravitacija igra izuzetno važnu, temeljnu ulogu. U usporedbi s električnim silama privlačenja i odbijanja između dviju nabijenih elementarnih čestica, gravitacija je vrlo slaba. Omjer elektrostatičke sile i gravitacijske sile koja djeluje između dva elektrona je oko 4H 10 46, tj. 4 iza kojeg slijedi 46 nula. Razlog zašto se tako veliki jaz u veličini ne nalazi na svakom koraku u svakodnevnom životu je taj što je pretežni dio materije u svom običnom obliku električki gotovo neutralan, budući da je broj pozitivnih i negativnih naboja u njezinom volumenu isti. Stoga se goleme električne sile volumena jednostavno nemaju priliku u potpunosti razviti. Čak i u takvim "trikovima" kao što je lijepljenje izlizanog balona na strop i podizanje kose prilikom češljanja na suhom danu, električni se naboji tek neznatno odvajaju, ali to je već dovoljno da se nadvladaju sile gravitacije. Sila gravitacijskog privlačenja toliko je slaba da je njezino djelovanje između tijela običnih veličina moguće izmjeriti u laboratorijskim uvjetima samo ako se poduzmu posebne mjere opreza. Na primjer, sila gravitacijske privlačnosti između dvoje ljudi težine 80 kg, koji stoje blizu jedan drugome leđima, iznosi nekoliko desetina dina (manje od 10 -5 N). Mjerenja tako slabih sila komplicirana su potrebom da se izoliraju od pozadine raznih vrsta stranih sila koje mogu premašiti onu koja se mjeri.

Kako se masa povećava, gravitacijski učinci postaju vidljiviji i na kraju počinju dominirati nad svim ostalima. Zamislimo uvjete koji vladaju na jednom od malih asteroida Sunčevog sustava - na sferičnom kamenom bloku polumjera 1 km. Sila gravitacije na površini takvog asteroida iznosi 1/15 000 sile gravitacije na površini Zemlje, pri čemu gravitacijsko ubrzanje iznosi 9,81 m/s 2 . Masa teška jednu tonu na površini Zemlje bila bi teška oko 50 g na površini takvog asteroida.Brzina odlijetanja (pri kojoj tijelo, krećući se radijalno od središta asteroida, svladava gravitacijsko polje stvoreno ovo potonje) bila bi samo 1,2 m/s, odnosno 4 km/h (brzina ne baš brzog hoda pješaka), pa bi pri hodu po površini asteroida trebalo izbjegavati nagle pokrete i ne prekoračiti zadanu brzinu, kako ne bi zauvijek odletjela u svemir. Uloga vlastite gravitacije raste kako se krećemo prema sve većim tijelima - Zemlji, velikim planetima poput Jupitera i, konačno, prema zvijezdama poput Sunca. Dakle, vlastita gravitacija održava sferni oblik tekuće jezgre Zemlje i njenog čvrstog omotača koji okružuje ovu jezgru, kao i zemljinu atmosferu. Međumolekularne kohezijske sile koje drže čestice čvrstih tvari i tekućina zajedno više nisu učinkovite na kozmičkoj razini, a samo vlastita gravitacija omogućuje postojanje takvih divovskih plinskih kugli kao što su zvijezde kao cjeline. Bez gravitacije ta tijela jednostavno ne bi postojala, kao što ne bi bilo ni svjetova pogodnih za život.

Kada prelazi na još veća mjerila, gravitacija organizira pojedinačna nebeska tijela u sustave. Veličine takvih sustava variraju - od relativno malih (s astronomske točke gledišta) i jednostavnih sustava, kao što su sustav Zemlja-Mjesec, Sunčev sustav i dvostruke ili višestruke zvijezde, do velikih zvjezdanih jata koji broje stotine tisuća zvijezda. "Život", ili evolucija, pojedinačnog zvjezdanog skupa može se promatrati kao čin balansiranja između međusobne divergencije zvijezda i gravitacije, koja nastoji držati klaster zajedno kao cjelinu. S vremena na vrijeme, zvijezda, krećući se u smjeru drugih zvijezda, od njih dobiva zamah i brzinu, što joj omogućuje da odleti iz skupa i zauvijek ga napusti. Preostale zvijezde tvore još čvršći klaster, a gravitacija ih povezuje još čvršće nego prije. Gravitacija također pomaže u održavanju oblaka plina i prašine zajedno u svemiru, a ponekad ih čak i komprimira u kompaktne i manje-više sferične nakupine materije. Tamne siluete mnogih od ovih objekata mogu se vidjeti na svjetlijoj pozadini Mliječne staze. Prema danas prihvaćenoj teoriji nastanka zvijezda, ako je masa takvog objekta dovoljno velika, tada tlak u njegovim dubinama doseže razinu na kojoj postaju moguće nuklearne reakcije, a gusta nakupina materije pretvara se u zvijezdu. Astronomi su uspjeli dobiti slike koje potvrđuju nastanak zvijezda na onim mjestima u svemiru gdje su prije bili opaženi samo oblaci materije, što govori u prilog postojećoj teoriji.

Gravitacija igra vitalnu ulogu u svim teorijama nastanka, razvoja i strukture Svemira kao cjeline. Gotovo svi se temelje na općoj teoriji relativnosti. U ovoj teoriji, koju je stvorio Einstein početkom 20. stoljeća, gravitacija se smatra svojstvom četverodimenzionalne geometrije prostor-vremena, kao nešto slično zakrivljenosti sferne površine, generalizirano na veći broj dimenzija. . "Zakrivljenost" prostor-vremena usko je povezana s raspodjelom materije u njemu.

Sve kozmološke teorije prihvaćaju da je gravitacija svojstvo bilo koje vrste materije, koja se manifestira posvuda u svemiru, iako se nipošto ne pretpostavlja da su učinci koje stvara gravitacija posvuda isti. Na primjer, gravitacijska konstanta G(o čemu ćemo dalje raspravljati) može varirati ovisno o mjestu i vremenu, iako još nema izravnih podataka promatranja koji bi to potvrdili. Gravitacijska konstanta G- jedna od fizikalnih konstanti našeg svijeta, baš poput brzine svjetlosti ili električnog naboja elektrona ili protona. Uz točnost s kojom suvremene eksperimentalne metode omogućuju mjerenje ove konstante, njezina vrijednost ne ovisi o vrsti materije koja stvara gravitaciju. Bitna je samo masa. Masu možemo shvatiti na dva načina: kao mjeru sposobnosti privlačenja drugih tijela - na to se svojstvo misli kada se govori o teškoj (gravitacijskoj) masi - ili kao mjeru otpora tijela na pokušaje da ga ubrza (da ga postavi). u kretanju ako tijelo miruje, zaustaviti se ako se tijelo kreće, ili promijeniti svoju putanju), - na ovo svojstvo mase misli se kada se govori o inercijskoj masi. Intuitivno se ove dvije vrste mase ne čine istim svojstvom materije, ali opća teorija relativnosti postulira njihovu istovjetnost i na temelju te postavke gradi sliku svijeta.

Gravitacija ima još jednu značajku; Čini se da ne postoji zamisliv način da se riješimo učinaka gravitacije osim udaljavanjem beskonačne udaljenosti od sve materije. Nijedna poznata tvar nema negativnu masu, tj. svojstvo odbijanja od strane gravitacijskog polja. Čak i antimaterija (pozitroni, antiprotoni itd.) ima pozitivnu masu. Nemoguće je osloboditi se gravitacije uz pomoć nekakvog zaslona, ​​poput električnog polja. Tijekom pomrčina Mjeseca Zemlja je "zaštićena" od privlačenja Sunca, a učinak takve zaštite bi se akumulirao od jedne do druge pomrčine, ali to nije slučaj.

Povijest ideja o gravitaciji.

Kao što je gore prikazano, gravitacija je jedna od najčešćih interakcija materije s materijom i ujedno jedna od najtajanstvenijih i najzagonetnijih. Moderne teorije nisu se bitno približile objašnjenju fenomena gravitacije.

Ipak, gravitacija je oduvijek bila eksplicitno ili implicitno isprepletena s kozmologijom, tako da su te dvije nerazdvojne. Prve kozmologije, poput Aristotelove i Ptolemejeve, trajale su do 18. stoljeća. uglavnom zahvaljujući autoritetu ovih mislilaca, jedva da su bili nešto više od sistematizacije naivnih pogleda starih. U tim kozmologijama, materija je bila podijeljena u četiri klase, ili "elementa": zemlju, vodu, zrak i vatru (od najteže do najlakše). Riječi "gravitacija" izvorno su značile jednostavno "težina"; objekti koji se sastoje od elementa "zemlje" imali su svojstvo "težine" u većoj mjeri od predmeta koji se sastoje od drugih elemenata. Prirodno mjesto teških predmeta bilo je središte Zemlje, koja se smatrala središtem svemira. Element "vatra" je obdaren najmanjom količinom "težine"; Štoviše, vatru je karakterizirala neka vrsta negativne gravitacije, čiji se učinak nije očitovao u gravitaciji, već u "levitaciji". Prirodno mjesto za vatru bile su vanjske granice zemaljskog dijela svijeta. Nedavne verzije ove teorije pretpostavile su postojanje petog entiteta ("kvintesencije", koji se ponekad naziva "eter", koji nije bio pod utjecajem gravitacije). Također je pretpostavljeno da se nebeska tijela sastoje od kvintesencije. Ako se zemaljsko tijelo na neki način nije našlo na svom prirodnom mjestu, onda se tamo nastojalo vratiti prirodnim kretanjem, karakterističnim za njega na isti način na koji životinju karakterizira svrhovito kretanje uz pomoć nogu ili krila. Gore navedeno vrijedi za kretanje kamena u prostoru, mjehurića u vodi i plamena u zraku.

Galileo (1564.–1642.), proučavajući gibanje tijela pod utjecajem gravitacije, otkrio je da period titranja njihala ne ovisi o tome je li početno odstupanje njihala od položaja ravnoteže veliko ili malo. Galileo je također eksperimentalno utvrdio da u nedostatku otpora zraka teška i laka tijela padaju na tlo istom akceleracijom. (Aristotel je tvrdio da teška tijela padaju brže od lakih, a što su brža, to su teža.) Konačno, Galileo je izrazio ideju o postojanosti ubrzanja gravitacije i formulirao izjave koje su u biti prethodnici Newtonovih zakona kretanja. Galileo je prvi shvatio da je za tijelo na koje ne djeluju nikakve sile jednoliko pravocrtno gibanje prirodno kao i stanje mirovanja.

Briljantnom engleskom matematičaru I. Newtonu (1643.–1727.) pripalo je da ujedini različite fragmente i izgradi logičnu i dosljednu teoriju. Ovi raštrkani fragmenti nastali su naporima mnogih istraživača. Ovdje je Kopernikova heliocentrična teorija, koju su Galileo, Kepler i drugi shvaćali kao pravi fizički model svijeta; i Braheova detaljna i precizna astronomska promatranja; i koncentrirani izraz ovih opažanja u Keplerova tri zakona planetarnog gibanja; te rad koji je započeo Galilei na formuliranju zakona mehanike na temelju jasno definiranih pojmova, kao i hipoteza i djelomičnih rješenja problema koje su pronašli Newtonovi suvremenici poput H. Huygensa, R. Hookea i E. Halleya. Kako bi postigao svoju veličanstvenu sintezu, Newton je trebao dovršiti stvaranje nove matematike, nazvane diferencijalni i integralni račun. Usporedno s Newtonom, njegov suvremenik G. Leibniz samostalno je radio na stvaranju diferencijalnog i integralnog računa.

Iako je Voltaireova anegdota o jabuci koja je pala na Newtonovu glavu najvjerojatnije neistinita, ona ipak u određenoj mjeri karakterizira način razmišljanja koji je Newton pokazao u svom pristupu problemu gravitacije. Newton je uporno postavljao pitanja: “Je li sila koja drži Mjesec u njegovoj orbiti dok se kreće oko Zemlje ista sila koja uzrokuje pad tijela na Zemljinu površinu? Koliko bi intenzivna morala biti Zemljina gravitacija da zakrivi Mjesečevu orbitu na način na koji to zapravo čini? Da bi pronašao odgovor na ova pitanja, Newton je prije svega trebao definirati pojam sile, koji bi također obuhvatio čimbenik koji uzrokuje odstupanje tijela od svoje izvorne putanje gibanja, a ne samo ubrzavanje ili usporavanje kada se kreće gore ili dolje. . Newton je također trebao točno znati veličinu Zemlje i udaljenost od Zemlje do Mjeseca. Pretpostavio je da se privlačnost koju stvara gravitacija smanjuje s povećanjem udaljenosti od tijela koje privlači kao obrnuti kvadrat udaljenosti, tj. kako se udaljenost povećava. Istinitost ovog zaključka za kružne orbite može se lako izvesti iz Keplerovih zakona bez pribjegavanja diferencijalnom računu. Konačno, kada je 1660-ih Piccard izvršio geodetsko snimanje sjevernih regija Francuske (jedno od prvih geodetskih istraživanja), uspio je razjasniti vrijednost duljine jednog stupnja zemljopisne širine na zemljinoj površini, što ga je učinilo moguće točnije odrediti veličinu Zemlje i udaljenost od Zemlje do Mjeseca. Picardova mjerenja dodatno su učvrstila Newtonovo uvjerenje da je na pravom putu. Konačno, 1686. – 1687., kao odgovor na zahtjev nedavno osnovanog Kraljevskog društva, Newton je objavio svoju poznatu Matematički principi prirodne filozofije (Philosophiae naturalis principia mathematica), koji je označio rođenje moderne mehanike. U ovom je djelu Newton formulirao svoj poznati zakon univerzalne gravitacije; u modernom algebarskom zapisu taj se zakon izražava formulom

Gdje F– privlačna sila između dva materijalna tijela s masama M 1 i M 2, a R– udaljenost između tih tijela. Koeficijent G naziva se gravitacijska konstanta. U metričkom sustavu masa se mjeri u kilogramima, udaljenost u metrima, a sila u njutnima i gravitacijska konstanta G ima značenje G= 6,67259H 10 –11 m 3 H kg –1 H s –2 . Malost gravitacijske konstante objašnjava činjenicu da gravitacijski učinci postaju vidljivi tek kod velike mase tijela.

Newton je metodama matematičke analize pokazao da kuglasto tijelo, primjerice Mjesec, Sunce ili planet, stvara gravitaciju na isti način kao materijalna točka koja se nalazi u središtu kugle i ima ekvivalentnu masu. Diferencijalni i integralni račun omogućili su i samom Newtonu i njegovim sljedbenicima da uspješno riješe nove klase problema, na primjer, inverzni problem određivanja sile iz neravnomjernog ili krivuljastog gibanja tijela koje se kreće pod njezinim utjecajem; predvidjeti brzinu i položaj tijela u bilo kojem trenutku u budućnosti, ako je poznata sila kao funkcija položaja; riješiti problem ukupne sile privlačenja bilo kojeg tijela (ne nužno sfernog) u bilo kojoj točki prostora. Novi snažni matematički alati otvorili su put rješavanju mnogih složenih, prethodno nerješivih problema ne samo za gravitacijska, već i za druga polja.

Newton je također pokazao da, zbog 24-satnog perioda rotacije oko vlastite osi, Zemlja ne bi trebala imati strogo sferičan, već donekle spljošten oblik. Implikacije Newtonovih istraživanja u ovom području vode nas u polje gravimetrije, znanosti koja se bavi mjerenjem i tumačenjem sile gravitacije na Zemljinoj površini.

Djelovanje na velike udaljenosti.

Međutim, u Newtonovom Počeci postoji prostor. Činjenica je da, nakon što je definirao silu gravitacije i dao matematički izraz koji je opisuje, Newton nije objasnio što je gravitacija i kako ona djeluje. Pitanja koja su izazivala i izazivaju mnoge kontroverze od 18. stoljeća. donedavna, je sljedeća: kako tijelo koje se nalazi na jednom mjestu (npr. Sunce) privlači tijelo (npr. Zemlju) koje se nalazi na drugom mjestu, ako među tijelima nema materijalne veze? Koliko brzo putuju gravitacijski učinci? Odmah? Brzinom svjetlosti i drugim elektromagnetskim oscilacijama ili nekom drugom brzinom? Newton nije vjerovao u mogućnost djelovanja na daljinu; jednostavno je izvodio izračune kao da je zakon obrnutog razmjera kvadratu udaljenosti prihvaćena činjenica. Mnogi, uključujući Leibniza, biskupa Berkeleya i Descartesove sljedbenike, slagali su se s Newtonovim gledištem, ali su bili uvjereni da su fenomeni odvojeni u prostoru od uzroka koji ih uzrokuju nezamislivi bez neke vrste fizičkog posrednika koji dovršava uzrok-i -učinak odnos između njih.

Kasnije su sva ova i druga pitanja naslijedile slične teorije koje su objašnjavale širenje svjetlosti. Svjetleći medij nazvan je eter, a slijedeći ranije filozofe, posebice Descartesa, fizičari su došli do zaključka da se gravitacijske (kao i električne i magnetske) sile prenose kao svojevrsni tlak u eteru. I tek kada su svi pokušaji formuliranja konzistentne teorije o eteru bili neuspješni, postalo je jasno da iako eter daje odgovor na pitanje kako se odvija djelovanje na daljinu, taj odgovor nije točan.

Teorija polja i relativnost.

A. Einsteinu (1879. – 1955.) pripalo je da spoji razbacane fragmente teorija, izbaci eter i postulira da u stvarnosti ne postoji ni apsolutni prostor ni apsolutno vrijeme, jer niti jedan eksperiment ne potvrđuje njihovo postojanje. U tome je njegova uloga bila slična Newtonovoj. Za stvaranje svoje teorije Einsteinu je, kao nekoć Newtonu, bila potrebna nova matematika – tenzorska analiza.

Ono što je Einstein uspio donekle je posljedica novog načina razmišljanja koji se razvijao tijekom 19. stoljeća. a povezana s pojavom pojma polja. Polje, u smislu u kojem moderni teorijski fizičar koristi ovaj izraz, je područje idealiziranog prostora u kojem su, označavanjem određenog koordinatnog sustava, određeni položaji točaka uz fizikalnu veličinu ili neki skup veličina ovisno o ove pozicije. Kada se kreće od jedne točke u prostoru do druge, susjedne, trebao bi se glatko (kontinuirano) smanjivati ​​ili povećavati, a može se i mijenjati tijekom vremena. Na primjer, brzina vode u rijeci varira i s dubinom i od obale do obale; temperatura u sobi je viša u blizini peći; intenzitet (svjetlina) osvjetljenja opada s povećanjem udaljenosti od izvora svjetlosti. Ovo su sve primjeri polja. Fizičari polja smatraju stvarnim stvarima. U prilog svom stajalištu pozivaju se na fizikalni argument: percepcija svjetlosti, topline ili električnog naboja je stvarna kao i percepcija fizičkog objekta, u čije postojanje su svi uvjereni na temelju toga da se može dodirnuti, osjetiti ili vidjeti. Osim toga, eksperimenti, na primjer, s raspršenim željeznim strugotinama u blizini magneta, njihovo poravnanje duž određenog sustava zakrivljenih linija čine magnetsko polje izravno percipiranim do te mjere da nitko neće sumnjati da postoji "nešto" čak i oko magneta. nakon uklanjanja željeznih strugotina. Linije magnetskog polja, kako ih je nazvao Faraday, tvore magnetsko polje.

Do sada smo izbjegavali spominjati gravitacijsko polje. Ubrzanje gravitacije g na površini Zemlje, koja se mijenja od točke do točke na zemljinoj površini i smanjuje s visinom, je takvo polje. Ali veliki napredak koji je Einstein napravio nije bio manipuliranje gravitacijskim poljem našeg svakodnevnog iskustva.

Umjesto da slijedi Fitzgeralda i Lorentza i razmatra interakciju između sveprisutnog etera i mjernih šipki i satova koji se kreću kroz njega, Einstein je uveo fizikalni postulat prema kojem svaki promatrač A tko mjeri brzinu svjetlosti pomoću mjernih šipki i sata koji nosi sa sobom uvijek će dobiti isti rezultat c= 3H 10 8 m/s bez obzira koliko se brzo promatrač kreće; mjerne šipke bilo kojeg drugog promatrača U, pokretni rođak A s brzinom v, gledat će promatrača A smanjeno puta; sat promatrača U gledat će prema promatraču A hodanje nekoliko puta sporije; odnosa između promatrača A I U su točno recipročne, pa promatračeve mjerne šipke A a njegov će sat biti za promatrača U redom, jednako kraće i kreću se sporije; Svaki od promatrača sebe može smatrati nepomičnim, a drugoga pokretnim. Druga posljedica parcijalne (specijalne) teorije relativnosti bila je ta masa m tijelo koje se kreće velikom brzinom v u odnosu na promatrača, raste (za promatrača) i postaje jednak , gdje m 0 – masa istog tijela, kreće se u odnosu na promatrača vrlo sporo. Povećanje inercijske mase tijela koje se kreće značilo je da ne samo energija gibanja (kinetička energija), nego sva energija ima inercijsku masu i da ako energija ima inercijsku masu, onda ima i tešku masu i stoga je podložna gravitacijski učinci. Osim toga, kao što je sada dobro poznato, pod određenim uvjetima, masa se može pretvoriti u energiju u nuklearnim procesima. (Vjerojatno bi bilo točnije govoriti o oslobađanju energije.) Ako su prihvaćene pretpostavke točne (a sada imamo sve razloge za takvo povjerenje), onda su, dakle, masa i energija različiti aspekti iste temeljnije suštine .

Gornja formula također pokazuje da se niti jedno materijalno tijelo niti jedan objekt koji nosi energiju (na primjer, val) ne može kretati u odnosu na promatrača brže od brzine svjetlosti S, jer inače bi takvo kretanje zahtijevalo beskrajno više energije. Posljedično, gravitacijski se učinci moraju širiti brzinom svjetlosti (argumenti u prilog tome dani su i prije nastanka teorije relativnosti). Primjeri takvih gravitacijskih pojava kasnije su otkriveni i uključeni u opću teoriju.

U slučaju jednolikog i pravocrtnog relativnog gibanja, promatrana kontrakcija mjernih šipki i usporavanje sata dovode do posebne teorije relativnosti. Kasnije su koncepti ove teorije generalizirani na ubrzano relativno gibanje, što je zahtijevalo uvođenje još jednog postulata - tzv. principa ekvivalencije, koji je omogućio uključivanje gravitacije u model, što nije bilo u parcijalnoj teoriji relativnosti.

Dugo se vjerovalo, a vrlo pažljiva mjerenja obavljena su krajem 19. stoljeća. Mađarski fizičar L. Eotvos potvrdio je da su, u granicama eksperimentalne pogreške, teška i inertna masa brojčano jednake. (Podsjetimo se da teška masa tijela služi kao mjera sile kojom to tijelo privlači druga tijela, dok je inercijalna masa mjera otpora tijela akceleraciji.) U isto vrijeme, akceleracija tijela koja slobodno padaju bi ne bi bili potpuno neovisni o njihovoj masi ako inercija i teške tjelesne težine nisu bile apsolutno jednake. Einstein je pretpostavio da su ove dvije vrste mase, koje se čine različitima jer se mjere u različitim eksperimentima, zapravo ista stvar. Iz toga odmah proizlazi da nema fizičke razlike između sile gravitacije koju osjećamo na tabanima i sile inercije koja nas baca natrag u sjedalo kada automobil ubrzava ili nas baca naprijed kada pritisnemo kočnice. Zamislimo mentalno (kao što je Einstein) zatvorenu prostoriju, poput dizala ili svemirskog broda, unutar koje možemo proučavati gibanje tijela. U svemiru, na dovoljno velikoj udaljenosti od bilo koje masivne zvijezde ili planeta da njihova gravitacija ne utječe na tijela u ovoj zatvorenoj prostoriji, bilo koji predmet ispušten iz ruku ne bi pao na pod, već bi nastavio lebdjeti u zraku. , krećući se u istom smjeru u kojem se kretao kad je pušten iz ruku. Svi bi objekti imali masu, ali ne i težinu. U gravitacijskom polju blizu površine Zemlje tijela imaju i masu i težinu. Ako ih pustite, padaju na zemlju. Ali ako bi, primjerice, dizalo slobodno palo, ne nailazeći na otpor, tada bi se predmeti u dizalu promatraču u dizalu činili bestežinskim, a ako bi pustio bilo koji predmet, ne bi pao na pod. Rezultat bi bio isti kao da se sve događa u svemiru daleko od privlačenja tijela, i nijedan eksperiment ne može pokazati promatraču da je u stanju slobodnog pada. Gledajući kroz prozor i videći Zemlju negdje daleko ispod sebe, promatrač bi mogao reći da Zemlja juri prema njemu. Međutim, sa stajališta promatrača na Zemlji, i dizalo i svi objekti u njemu padaju jednako brzo, pa objekti koji padaju ne zaostaju ni ispred dizala, pa se stoga ne približavaju njegovom podu, prema kojem padaju.

Sada zamislimo svemirski brod koji raketa-nosač podiže u svemir sve većom brzinom. Ako astronaut u svemirskom brodu ispusti predmet iz ruku, tada će se objekt (kao i prije) nastaviti kretati svemirom brzinom kojom je bio pušten, ali budući da se pod svemirskog broda sada kreće ubrzano prema objektu, sve će izgledati kao da će predmet pasti. Štoviše, astronaut bi osjetio silu koja djeluje na njegove noge i mogao bi to protumačiti kao silu gravitacije, a nijedan eksperiment koji bi mogao izvesti dok je u svemirskoj letjelici u usponu ne bi proturječio takvom tumačenju.

Einsteinov princip ekvivalencije jednostavno izjednačava ove dvije naizgled potpuno različite situacije i tvrdi da su gravitacija i inercijalne sile ista stvar. Glavna razlika je u tome što se u dovoljno velikom području inercijalna sila (kao što je centrifugalna sila) može eliminirati odgovarajućom transformacijom referentnog okvira (na primjer, centrifugalna sila djeluje samo u rotirajućem koordinatnom sustavu, a može se eliminirati pomicanje u nerotirajući referentni okvir). Što se tiče sile gravitacije, prelaskom u drugi referentni okvir (slobodno pada), može je se riješiti samo lokalno. Mentalno zamišljajući cijelu Zemlju kao cjelinu, radije je smatramo nepomičnom, vjerujući da na tijela koja se nalaze na površini Zemlje djeluju gravitacijske sile, a ne inercijske sile. U protivnom bismo morali pretpostaviti da je površina Zemlje ubrzana prema van na svim svojim točkama i da Zemlja, šireći se poput napuhanog balona, ​​pritišće naše tabane. Ovo gledište, sasvim prihvatljivo s gledišta dinamike, netočno je s gledišta obične geometrije. Međutim, u okviru opće teorije relativnosti oba su gledišta jednako prihvatljiva.

Geometrija koja proizlazi iz mjerenja duljina i vremenskih intervala, slobodno transformabilna iz jednog ubrzavajućeg referentnog okvira u drugi, pokazuje se kao zakrivljena geometrija, vrlo slična geometriji sfernih površina, ali generalizirana na slučaj četiri dimenzije - tri prostorno i jedno vrijeme - na isti način, kao u posebnoj teoriji relativnosti. Zakrivljenost, odnosno deformacija prostor-vremena nije samo figura govora, već nešto više, budući da je određena metodom mjerenja udaljenosti između točaka i trajanjem vremenskih intervala između događaja u tim točkama. Da je zakrivljenost prostor-vremena pravi fizički učinak može se najbolje pokazati na nekoliko primjera.

Prema teoriji relativnosti, zraka svjetlosti koja prolazi u blizini velike mase se savija. To se događa, na primjer, kada zraka svjetlosti udaljene zvijezde prolazi blizu ruba sunčevog diska. Ali zakrivljena zraka svjetlosti i dalje je najkraća udaljenost od zvijezde do oka promatrača. Ova izjava je istinita u dva smisla. U tradicionalnom zapisu relativističke matematike, ravan segment dS, razdvajajući dvije susjedne točke, izračunava se korištenjem Pitagorinog teorema obične euklidske geometrije, tj. prema formuli dS 2 = dx 2 + dy 2 + dz 2. Točka u prostoru zajedno s trenutkom u vremenu naziva se događaj, a udaljenost u prostor-vremenu koja razdvaja dva događaja naziva se interval. Za određivanje intervala između dva događaja, vremenska dimenzija t kombinira s tri prostorne koordinate x, g, z na sljedeći način. Vremenska razlika između dva događaja dt preračunato u prostornu udaljenost S H dt pomnoženo s brzinom svjetlosti S(konstantno za sve promatrače). Dobiveni rezultat trebao bi biti kompatibilan s Lorentzovom transformacijom iz koje proizlazi da se mjerna šipka promatrača u kretanju skuplja, a sat usporava prema izrazu . Lorentzova transformacija također bi trebala biti primjenjiva u graničnom slučaju kada se promatrač kreće sa svjetlosnim valom, a njegov sat je zaustavljen (tj. dt= 0), a sam sebe ne smatra pokretnim (tj. dS= 0), dakle

(Interval) 2 = dS 2 = dx 2 + dy 2 + dz 2 – (c H dt) 2 .

Glavna značajka ove formule je da je predznak vremenskog člana suprotan predznaku prostornih članova. Nadalje, duž svjetlosne zrake za sve promatrače koji se kreću uz zraku, imamo dS 2 = 0 i, prema teoriji relativnosti, svi ostali promatrači trebali su dobiti isti rezultat. U ovom prvom (prostorno-vremenskom) smislu dS– minimalna prostorno-vremenska udaljenost. Ali u drugom smislu, budući da svjetlost putuje stazom koja zahtijeva najmanje vremena da stigne do svog konačnog odredišta prema bilo kojem sati, numeričke vrijednosti prostornih i vremenskih intervala su minimalne za svjetlosni snop.

Sva gornja razmatranja odnose se na događaje odvojene samo malim udaljenostima i vremenima; drugim riječima, dx, dy, dz I dt– male količine. Ali rezultati se mogu lako generalizirati na proširene trajektorije koristeći metodu integralnog računa, čija je bit zbrajanje svih tih infinitezimalnih intervala duž cijelog puta od točke do točke.

Razmišljajući dalje, mentalno zamislimo prostor-vrijeme podijeljeno u četverodimenzionalne ćelije, baš kao što je dvodimenzionalna karta podijeljena u dvodimenzionalne kvadrate. Stranica takve četverodimenzionalne ćelije jednaka je jedinici vremena ili udaljenosti. U prostoru bez polja mreža se sastoji od ravnih linija koje se sijeku pod pravim kutom, ali u gravitacijskom polju u blizini mase linije mreže su savijene, iako se također sijeku pod pravim kutom, poput paralela i meridijana na globusu. U ovom slučaju, linije mreže izgledaju zakrivljene samo vanjskom promatraču čiji je broj dimenzija veći od broja dimenzija mreže. Postojimo u trodimenzionalnom prostoru i kada gledamo kartu ili dijagram, možemo ih percipirati u tri dimenzije. Subjekt koji se nalazi u samoj ovoj mreži, na primjer mikroskopsko stvorenje na globusu, koji nema pojma što je gore ili dolje, ne može izravno uočiti zakrivljenost globusa i morao bi izvršiti mjerenja i vidjeti kakva geometrija proizlazi iz ukupnost dimenzija rezultata - bilo da se radi o euklidskoj geometriji, koja odgovara ravnom listu papira, ili zakrivljenoj geometriji, koja odgovara površini kugle ili nekoj drugoj zakrivljenoj površini. Na isti način ne možemo vidjeti zakrivljenost prostora-vremena oko nas, ali analizom rezultata naših mjerenja možemo otkriti posebna geometrijska svojstva koja su potpuno slična stvarnoj zakrivljenosti.

Sada zamislite ogroman trokut u slobodnom prostoru, čije su stranice tri ravne linije. Ako se masa smjesti unutar takvog trokuta, tada će se prostor (tj. četverodimenzionalna koordinatna mreža koja otkriva njegovu geometrijsku strukturu) lagano napuhati tako da zbroj unutarnjih kutova trokuta postane veći nego u odsutnosti mase. Slično tome, možete zamisliti divovski krug u slobodnom prostoru, čiju ste duljinu i promjer vrlo precizno izmjerili. Otkrili ste da je omjer opsega i promjera jednak broju str(ako je slobodni prostor euklidski). Stavite veliku masu u središte kruga i ponovite mjerenja. Omjer opsega i promjera postat će manji str, iako će se činiti da se mjerna šipka (ako se gleda s neke udaljenosti) skuplja i kada je položena duž opsega i kada je položena duž promjera, veličina samih kontrakcija bit će različita.

U krivocrtnoj geometriji krivulja koja spaja dvije točke i koja je najkraća među svim krivuljama ove vrste naziva se geodezijom. U četverodimenzionalnoj krivocrtnoj geometriji opće relativnosti, putanje svjetlosnih zraka čine jednu klasu geodetskih linija. Ispada da je putanja bilo koje slobodne čestice (na koju ne djeluje nikakva kontaktna sila) također geodetska, ali općenitije klase. Na primjer, planet koji se slobodno kreće u svojoj orbiti oko Sunca kreće se po geodeziji na isti način kao slobodno padajuće dizalo u primjeru o kojem smo ranije govorili. Geodeze su prostorno-vremenski analozi ravnih linija u Newtonovoj mehanici. Tijela se jednostavno kreću po svojim prirodnim zakrivljenim stazama - linijama manjeg otpora - tako da nema potrebe pozivati ​​se na "silu" da bi se objasnilo ovakvo ponašanje tijela. Tijela koja se nalaze na površini Zemlje podložna su kontaktnoj sili neposrednog kontakta sa Zemljom, te s tog gledišta možemo pretpostaviti da ih Zemlja gura izvan geodetske orbite. Prema tome, putanje tijela na Zemljinoj površini nisu geodetske.

Dakle, gravitacija je reducirana na geometrijsko svojstvo fizičkog prostora, a pokazalo se da je gravitacijsko polje zamijenjeno "metričkim poljem". Kao i druga polja, metričko polje je skup brojeva (ukupno deset) koji variraju od točke do točke i zajedno opisuju lokalnu geometriju. Koristeći te brojeve, posebice, moguće je odrediti kako i u kojem smjeru je metričko polje zakrivljeno.

Posljedice iz opće teorije relativnosti.

Drugo predviđanje opće relativnosti koje proizlazi iz načela ekvivalencije je takozvani gravitacijski crveni pomak, tj. smanjenje frekvencije zračenja koje nam dolazi iz područja s nižim gravitacijskim potencijalom. Iako u literaturi postoje brojni prijedlozi da je svjetlost s crvenim pomakom emitirana s površine supergustih zvijezda, za to još uvijek nema uvjerljivih dokaza, a pitanje ostaje otvoreno. Učinak takvog pomaka zapravo je promatran u laboratorijskim uvjetima - između vrha i baze tornja. Ovi eksperimenti koristili su Zemljino gravitacijsko polje i striktno monokromatsko gama zračenje koje emitiraju atomi vezani u kristalnu rešetku (Mössbauerov efekt). Da bismo objasnili ovaj fenomen, najlakši način je okrenuti se hipotetskom dizalu, u kojem je izvor svjetlosti postavljen na vrhu, a prijemnik na dnu, ili obrnuto. Promatrani pomak točno se podudara s Dopplerovim pomakom, što odgovara dodatnoj brzini prijamnika u trenutku dolaska signala u usporedbi s brzinom izvora u trenutku emitiranja signala. Ova dodatna brzina je zbog ubrzanja dok je signal u tranzitu.

Drugo gotovo odmah prihvaćeno predviđanje opće relativnosti tiče se gibanja planeta Merkura oko Sunca (i, u manjoj mjeri, gibanja drugih planeta). Perihel Merkurove orbite, tj. točka u svojoj orbiti u kojoj je planet najbliži Suncu pomiče se za 574I po stoljeću, dovršavajući punu revoluciju u 226 000 godina. Newtonova mehanika, uzimajući u obzir gravitacijsko djelovanje svih poznatih planeta, uspjela je objasniti pomak perihela za samo 532Í po stoljeću. Razlika od 42 lučne sekunde, iako mala, ipak je puno veća od bilo koje moguće pogreške i muči astronome gotovo cijelo stoljeće. Opća teorija relativnosti predvidjela je ovaj učinak gotovo točno.

Obnova Machovih pogleda na inerciju.

E. Mach (1838.–1916.), poput Newtonova mlađeg suvremenika Berkeleya, opetovano si je postavljao pitanje: “Što objašnjava inerciju? Zašto dolazi do centrifugalne reakcije kada tijelo rotira?" U potrazi za odgovorom na ova pitanja, Mach je sugerirao da je inercija posljedica gravitacijske koherentnosti Svemira. Svaka čestica materije povezana je sa svom drugom materijom u Svemiru gravitacijskim vezama, čiji je intenzitet proporcionalan njezinoj masi. Stoga, kada sila primijenjena na česticu ubrzava česticu, gravitacijske veze svemira kao cjeline odupiru se toj sili, stvarajući inercijsku silu jednake veličine i suprotnog smjera. Kasnije je pitanje koje je postavio Mach ponovno oživljeno i dobilo je novi obrat: ako ne postoji ni apsolutno gibanje ni apsolutno linearno ubrzanje, je li moguće isključiti apsolutnu rotaciju? Stanje stvari je takvo da se rotacija u odnosu na vanjski svijet može otkriti u izoliranom laboratoriju bez izravne reference na vanjski svijet. To se može učiniti centrifugalnim silama (tjerajući površinu vode u rotirajućoj kanti da poprimi konkavan oblik) i Coriolisovim silama (stvarajući prividnu zakrivljenost putanje tijela u rotirajućem koordinatnom sustavu. Naravno, zamišljajući malo rotirajuće tijelo je neusporedivo lakše od rotirajućeg svemira. Ali pitanje je sljedeće: ako bi ostatak svemira nestao, kako bismo mogli procijeniti rotira li tijelo "apsolutno"? Bi li površina vode u kanti ostala konkavna? Bi li rotirajući težina stvara napetost u užetu? Mach je vjerovao da odgovori na ova pitanja moraju biti negativni. Ako Budući da su gravitacija i inercija međusobno povezani, moglo bi se očekivati ​​da će promjene u gustoći ili raspodjeli udaljene materije nekako utjecati na vrijednost gravitacijske konstante G. Na primjer, ako se svemir širi, onda vrijednost G treba se polako mijenjati tijekom vremena. Promjena vrijednosti G mogao utjecati na periode titranja njihala i revoluciju planeta oko Sunca. Takve se promjene mogu otkriti samo mjerenjem vremenskih intervala pomoću atomskih satova, čija brzina ne ovisi o G.

Mjerenje gravitacijske konstante.

Eksperimentalno određivanje gravitacijske konstante G omogućuje nam uspostavljanje mosta između teoretskih i apstraktnih aspekata gravitacije kao univerzalnog svojstva materije i zemaljskog pitanja njezine lokalizacije i procjene mase materije koja stvara gravitacijske učinke. Posljednja operacija ponekad se naziva vaganje. S teorijske točke gledišta, to smo već vidjeli G je jedna od temeljnih konstanti prirode i stoga je od iznimne važnosti za fizikalnu teoriju. Ali veličina G također mora biti poznata ako želimo otkriti i "vagati" materiju na temelju gravitacijskog učinka koji ona stvara.

Prema Newtonovom zakonu univerzalne gravitacije, ubrzanje bilo kojeg probnog tijela u gravitacijskom polju drugog tijela s masom m daje se formulom g = Gmm/r 2 gdje r– udaljenost od tijela s masom m. Čimbenici u astronomskim jednadžbama gibanja G I m uključen samo u obliku djela Gmm, ali nikada nisu uključeni zasebno. To znači da masa m, koji stvara ubrzanje, može se procijeniti samo ako je poznata vrijednost G. Ali na temelju omjera masa, moguće je, uspoređujući ubrzanja koja proizvode, izraziti mase planeta i Sunca u zemaljskim masama. Doista, ako dva tijela stvaraju ubrzanja g 1 i g 2, tada je omjer njihovih masa m 1 /m 2 = g 1 r 1 2 /g 2 r 2 2 . Time je moguće mase svih nebeskih tijela izraziti kroz masu jednog odabranog tijela, primjerice Zemlje. Ovaj postupak je ekvivalentan odabiru mase Zemlje kao standarda mase. Da biste prešli s ovog postupka na sustav jedinica centimetar–gram–sekunda, morate znati masu Zemlje u gramima. Ako je poznato, onda možemo izračunati G, pronašavši posao Gmm iz bilo koje jednadžbe koja opisuje gravitacijske učinke koje stvara Zemlja (primjerice, kretanje Mjeseca ili Zemljinog umjetnog satelita, oscilacije njihala, ubrzanje tijela u slobodnom padu). I obrnuto, ako G može se mjeriti neovisno, zatim proizvod Gmm, uključena u sve jednadžbe gibanja nebeskih tijela, dat će masu Zemlje. Ova su razmatranja omogućila eksperimentalnu procjenu G. Primjer je Cavendishev slavni eksperiment s torzijskim vagama, izveden 1798. Instalacija se sastojala od dvije male mase na krajevima uravnotežene šipke, pričvršćene u sredini na dugačku nit ovjesa torzijske šipke. Druge dvije veće mase postavljene su na rotirajući stalak kako bi se mogle dovesti do malih masa. Privlačna sila koja djeluje s većih masa na manje, iako mnogo slabija od privlačnosti tako velike mase kao što je Zemlja, okreće štap na kojem su učvršćene male mase i uvija nit ovjesa pod kutom koji može biti izmjeren. Tada dovođenjem većih masa do manjih s druge strane (tako da se promijeni smjer privlačenja), pomak se može udvostručiti i time povećati točnost mjerenja. Pretpostavlja se da je torzijski modul elastičnosti niti poznat jer se može lako izmjeriti u laboratoriju. Stoga je mjerenjem kuta uvijanja niti moguće izračunati silu privlačenja između masa.

Književnost:

Fock V.A. Teorija prostora, vremena i gravitacije. M., 1961
Zeldovich Ya.B., Novikov I.D. Teorija gravitacije i evolucija zvijezda. M., 1971
Weiskopf W. Fizika u dvadesetom stoljeću. M., 1977
Albert Einstein i teorija gravitacije. M., 1979

·
Reissner - Nordström · Kerr ·
Kerr - Newman ·
Gödel · Kasner ·
Friedman - Lemaitre - Robertson - Walker
Približna rješenja:
Post-Newtonov formalizam · Kovarijantna teorija perturbacije ·
Numerička relativnost

Gravitacija (privlačnost, univerzalna gravitacija, gravitacija) (od lat. gravitas- “gravitacija”) je univerzalna temeljna interakcija između svih materijalnih tijela. U aproksimaciji malih brzina i slabe gravitacijske interakcije opisuje ga Newtonova teorija gravitacije, u općem slučaju opisuje ga Einsteinova opća teorija relativnosti. Gravitacija je najslabija od četiri vrste temeljnih interakcija. U kvantnom limitu, gravitacijska interakcija mora biti opisana kvantnom teorijom gravitacije, koja još nije razvijena.

Gravitacijsko privlačenje

Zakon univerzalne gravitacije jedna je od primjena zakona inverznog kvadrata, koji se također nalazi u proučavanju zračenja (vidi, na primjer, Svjetlosni tlak), a izravna je posljedica kvadratnog povećanja površine sfera s rastućim polumjerom, što dovodi do kvadratnog smanjenja doprinosa bilo koje jedinice površine površini cijele sfere.

Gravitacijsko polje je, kao i polje gravitacije, potencijalno. To znači da možete uvesti potencijalnu energiju gravitacijskog privlačenja para tijela, a ta se energija neće promijeniti nakon pomicanja tijela duž zatvorene petlje. Potencijalnost gravitacijskog polja povlači za sobom zakon održanja zbroja kinetičke i potencijalne energije i pri proučavanju gibanja tijela u gravitacijskom polju često znatno pojednostavljuje rješenje. U okviru Newtonove mehanike, gravitacijska interakcija je dugodometna. To znači da bez obzira na to kako se masivno tijelo kreće, u bilo kojoj točki prostora gravitacijski potencijal ovisi samo o položaju tijela u određenom trenutku u vremenu.

Veliki svemirski objekti - planeti, zvijezde i galaksije imaju ogromnu masu i stoga stvaraju značajna gravitacijska polja.

Gravitacija je najslabija interakcija. No, budući da djeluje na svim udaljenostima i da su sve mase pozitivne, ipak je vrlo važna sila u Svemiru. Konkretno, elektromagnetska interakcija između tijela na kozmičkoj razini je mala, budući da je ukupni električni naboj tih tijela jednak nuli (materija kao cjelina je električki neutralna).

Također, gravitacija je, za razliku od drugih interakcija, univerzalna u svom djelovanju na svu materiju i energiju. Nisu otkriveni objekti koji uopće nemaju gravitacijsku interakciju.

Zbog svoje globalne prirode, gravitacija je odgovorna za tako velike učinke kao što su struktura galaksija, crne rupe i širenje Svemira, te za elementarne astronomske pojave - orbite planeta, te za jednostavno privlačenje površini planeta. Zemlja i pad tijela.

Gravitacija je bila prva interakcija koju je opisala matematička teorija. Aristotel (IV. st. pr. Kr.) smatrao je da predmeti različite mase padaju različitim brzinama. Tek mnogo kasnije (1589.) Galileo Galilei eksperimentalno je utvrdio da to nije tako - ako se eliminira otpor zraka, sva tijela jednako ubrzavaju. Zakon univerzalne gravitacije Isaaca Newtona (1687.) dobro je opisao općenito ponašanje gravitacije. Godine 1915. Albert Einstein stvorio je Opću teoriju relativnosti, koja točnije opisuje gravitaciju u smislu geometrije prostorvremena.

Nebeska mehanika i neki njezini zadaci

Najjednostavniji problem nebeske mehanike je gravitacijska interakcija dva točkasta ili sferna tijela u praznom prostoru. Ovaj problem u okviru klasične mehanike rješava se analitički u zatvorenom obliku; rezultat njegova rješenja često se formulira u obliku triju Keplerovih zakona.

Kako se broj tijela koja međusobno djeluju povećava, zadatak postaje dramatično kompliciraniji. Dakle, već poznati problem triju tijela (odnosno gibanja triju tijela s masama različitim od nule) ne može se analitički riješiti u općem obliku. Kod numeričkog rješenja vrlo brzo dolazi do nestabilnosti rješenja u odnosu na početne uvjete. Kada se primijeni na Sunčev sustav, ova nam nestabilnost ne dopušta da točno predvidimo kretanje planeta na skalama većim od sto milijuna godina.

U nekim posebnim slučajevima moguće je pronaći približno rješenje. Najvažniji je slučaj kada je masa jednog tijela znatno veća od mase drugih tijela (primjeri: Sunčev sustav i dinamika Saturnovih prstenova). U ovom slučaju, kao prvu aproksimaciju, možemo pretpostaviti da laka tijela ne djeluju jedno na drugo i da se kreću Keplerovom putanjom oko masivnog tijela. Interakcije između njih mogu se uzeti u obzir unutar okvira teorije poremećaja i prosječne tijekom vremena. U tom slučaju mogu nastati netrivijalni fenomeni, kao što su rezonancije, atraktori, kaos, itd. Jasan primjer takvih fenomena je složena struktura Saturnovih prstenova.

Unatoč pokušajima da se precizno opiše ponašanje sustava velikog broja privlačnih tijela približno iste mase, to se ne može učiniti zbog fenomena dinamičkog kaosa.

Jaka gravitacijska polja

U jakim gravitacijskim poljima, kao i pri kretanju u gravitacijskom polju relativističkim brzinama, počinju se javljati učinci opće teorije relativnosti (OTR):

• mijenjanje geometrije prostor-vremena;
  • kao posljedica, odstupanje zakona gravitacije od Newtonovog;
  • a u ekstremnim slučajevima - pojava crnih rupa;
• kašnjenje potencijala povezano s konačnom brzinom širenja gravitacijskih poremećaja;
  • kao posljedica, pojava gravitacijskih valova;
• učinci nelinearnosti: gravitacija teži interakciji sama sa sobom, tako da načelo superpozicije u jakim poljima više ne vrijedi.

Gravitacijsko zračenje

Jedno od važnih predviđanja Opće teorije relativnosti je gravitacijsko zračenje, čija je prisutnost potvrđena izravnim promatranjima 2015. godine. Međutim, ranije su postojali jaki neizravni dokazi u prilog njegovom postojanju, naime: gubici energije u bliskim binarnim sustavima koji sadrže kompaktne gravitirajuće objekte (kao što su neutronske zvijezde ili crne rupe), posebno u poznatom sustavu PSR B1913+16 (Halsov pulsar - Taylor) - dobro se slažu s modelom opće relativnosti, u kojem se ta energija odnosi upravo gravitacijskim zračenjem.

Gravitacijsko zračenje mogu generirati samo sustavi s promjenjivim kvadrupolnim ili višim multipolnim momentima, ova činjenica sugerira da je gravitacijsko zračenje većine prirodnih izvora usmjereno, što znatno otežava njegovu detekciju. Snaga gravitacije n-izvor polja je proporcionalan texvc nije pronađeno; Pogledajte math/README za pomoć pri postavljanju.): (v/c)^(2n + 2), ako je višepol električnog tipa, i Nije moguće raščlaniti izraz (izvršna datoteka texvc nije pronađeno; Pogledajte math/README za pomoć pri postavljanju.): (v/c)^(2n + 4)- ako je multipol magnetskog tipa, gdje v je karakteristična brzina kretanja izvora u sustavu zračenja, i c- brzina svjetlosti. Dakle, dominantni moment će biti kvadrupolni moment električnog tipa, a snaga odgovarajućeg zračenja jednaka je:

Gdje Nije moguće raščlaniti izraz (izvršna datoteka texvc nije pronađeno; Pogledajte matematiku/README - pomoć pri postavljanju.): Q_(ij)- tenzor kvadrupolnog momenta raspodjele mase sustava zračenja. Konstantno Nije moguće raščlaniti izraz (izvršna datoteka texvc nije pronađeno; Pogledajte matematiku/README za pomoć pri postavljanju.): \frac(G)(c^5) = 2,76 \puta 10^(-53)(1/W) omogućuje procjenu reda veličine snage zračenja.

Suptilni učinci gravitacije

Pogreška pri izradi minijature: datoteka nije pronađena

Mjerenje zakrivljenosti prostora u Zemljinoj orbiti (crtež umjetnika)

Osim klasičnih učinaka gravitacijskog privlačenja i dilatacije vremena, opća teorija relativnosti predviđa postojanje i drugih manifestacija gravitacije, koje su u zemaljskim uvjetima vrlo slabe pa je njihovo otkrivanje i eksperimentalna provjera vrlo teško. Donedavno se činilo da je prevladavanje ovih poteškoća izvan mogućnosti eksperimentatora.

Među njima posebno možemo navesti otpor inercijalnih referentnih okvira (ili Lense-Thirring efekt) i gravitomagnetsko polje. Godine 2005. NASA-ina robotska gravitacijska sonda B provela je precizan eksperiment bez presedana kako bi izmjerila te učinke u blizini Zemlje. Obrada dobivenih podataka provedena je do svibnja 2011. godine i potvrdila je postojanje i veličinu utjecaja geodetske precesije i otpora inercijalnih referentnih sustava, iako s točnošću nešto manjom od prvobitno pretpostavljene.

Nakon intenzivnog rada na analizi i izdvajanju buke mjerenja, konačni rezultati misije objavljeni su na tiskovnoj konferenciji na NASA-TV 4. svibnja 2011. i objavljeni u Physical Review Letters. Izmjerena vrijednost geodetske precesije bila je −6601,8±18,3 milisekundi lukova godišnje, a učinak uvlačenja - −37,2±7,2 milisekundi luka godišnje (usporedi s teoretskim vrijednostima od −6606,1 mas/godina i −39,2 mas/godina).

Klasične teorije gravitacije

Zbog činjenice da su kvantni učinci gravitacije iznimno mali čak i pod najekstremnijim uvjetima promatranja, još uvijek nema pouzdanih promatranja istih. Teorijske procjene pokazuju da se u velikoj većini slučajeva može ograničiti na klasični opis gravitacijske interakcije.

Postoji moderna kanonska klasična teorija gravitacije - opća teorija relativnosti, te mnoge razjašnjavajuće hipoteze i teorije različitog stupnja razvoja, koje se međusobno natječu. Sve te teorije daju vrlo slična predviđanja unutar aproksimacije u kojoj se trenutno provode eksperimentalna ispitivanja. Slijedi nekoliko osnovnih, najbolje razvijenih ili poznatih teorija gravitacije.

Opća teorija relativnosti

U standardnom pristupu opće teorije relativnosti (OTR), gravitacija se u početku ne razmatra kao interakcija sile, već kao manifestacija zakrivljenosti prostor-vremena. Tako se u općoj teoriji relativnosti gravitacija tumači kao geometrijski učinak, a prostor-vrijeme razmatra u okviru neeuklidske Riemannove (točnije pseudo-Riemannove) geometrije. Gravitacijsko polje (generalizacija Newtonovog gravitacijskog potencijala), ponekad nazivano i gravitacijsko polje, u općoj teoriji relativnosti poistovjećuje se s tenzorskim metričkim poljem - metrikom četverodimenzionalnog prostor-vremena, a jakost gravitacijskog polja - s afina povezanost prostor-vremena određena metrikom.

Standardni zadatak opće teorije relativnosti je odrediti komponente metričkog tenzora, koji zajedno definiraju geometrijska svojstva prostor-vremena, iz poznate distribucije izvora energije-momenta u četverodimenzionalnom koordinatnom sustavu koji se razmatra. S druge strane, poznavanje metrike omogućuje izračunavanje gibanja ispitnih čestica, što je ekvivalentno poznavanju svojstava gravitacijskog polja u danom sustavu. Zbog tenzorske prirode jednadžbi opće relativnosti, kao i standardnog temeljnog opravdanja za njezinu formulaciju, vjeruje se da je gravitacija također tenzorske prirode. Jedna od posljedica je da gravitacijsko zračenje mora biti barem kvadrupolnog reda.

Poznato je da u općoj teoriji relativnosti postoje poteškoće zbog neinvarijantnosti energije gravitacijskog polja, budući da se ta energija ne opisuje tenzorom i može se teorijski odrediti na različite načine. U klasičnoj općoj teoriji relativnosti također se javlja problem opisa interakcije spin-orbita (budući da ni spin proširenog objekta nema jednoznačnu definiciju). Vjeruje se da postoje određeni problemi s jednoznačnošću rezultata i opravdanošću konzistentnosti (problem gravitacijskih singulariteta).

Međutim, opća teorija relativnosti bila je eksperimentalno potvrđena sve do nedavno (2012.). Osim toga, mnogi alternativni pristupi Einsteinovim, ali standardnim za modernu fiziku, pristupima formuliranja teorije gravitacije dovode do rezultata koji se podudaraju s općom relativnošću u niskoenergetskoj aproksimaciji, koja je jedina sada dostupna eksperimentalnoj provjeri.

Einstein-Cartanova teorija

Slična podjela jednadžbi u dvije klase također se pojavljuje u RTG-u, gdje je druga tenzorska jednadžba uvedena kako bi se uzela u obzir veza između neeuklidskog prostora i prostora Minkowskog. Zahvaljujući prisutnosti bezdimenzionalnog parametra u teoriji Jordan-Brans-Dicke, moguće ga je odabrati tako da se rezultati teorije podudaraju s rezultatima gravitacijskih eksperimenata. Štoviše, kako parametar teži beskonačnosti, predviđanja teorije postaju sve bliža općoj teoriji relativnosti, pa je Jordan-Brans-Dickeovu teoriju nemoguće opovrgnuti bilo kojim eksperimentom koji potvrđuje opću teoriju relativnosti.

Kvantna teorija gravitacije

Unatoč više od pola stoljeća pokušaja, gravitacija je jedina temeljna interakcija za koju još uvijek nije konstruirana općeprihvaćena dosljedna kvantna teorija. Pri niskim energijama, u duhu kvantne teorije polja, gravitacijska interakcija može se smatrati razmjenom gravitona—bozona kalibra spina 2. Međutim, rezultirajuća teorija se ne može renormalizirati i stoga se smatra nezadovoljavajućom.

Posljednjih desetljeća razvijena su tri obećavajuća pristupa rješavanju problema kvantiziranja gravitacije: teorija struna, petljasta kvantna gravitacija i kauzalna dinamička triangulacija[[K:Wikipedia:Članci bez izvora (zemlja: Lua pogreška: callParserFunction: funkcija "#property" nije pronađena. )]][[K:Wikipedia:Članci bez izvora (zemlja: Lua pogreška: callParserFunction: funkcija "#property" nije pronađena. )]] [ ] .

Teorija struna

U njemu se umjesto čestica i pozadinskog prostor-vremena pojavljuju strune i njihovi višedimenzionalni analozi - brane. Za visokodimenzionalne probleme, brane su visokodimenzionalne čestice, ali sa stajališta čestica koje se kreću iznutra ove brane, one su prostorno-vremenske strukture. Varijanta teorije struna je M-teorija.

Kružna kvantna gravitacija

Pokušava formulirati kvantnu teoriju polja bez pozivanja na prostorno-vremensku pozadinu; prema ovoj teoriji prostor i vrijeme sastoje se od diskretnih dijelova. Te male kvantne ćelije prostora povezane su jedna s drugom na određeni način, tako da na malim skalama vremena i duljine stvaraju šaroliku, diskretnu strukturu prostora, a na velikim skalama glatko se pretvaraju u kontinuirani glatki prostor-vrijeme. Dok mnogi kozmološki modeli mogu opisati ponašanje svemira samo od Planckovog vremena nakon Velikog praska, kvantna gravitacija u petlji može opisati sam proces eksplozije, pa čak i gledati dalje unatrag. Petljasta kvantna gravitacija omogućuje nam da opišemo sve čestice standardnog modela bez potrebe za uvođenjem Higgsovog bozona da objasnimo njihove mase.

Kauzalna dinamička triangulacija

U njemu se prostorno-vremenska mnogostrukost konstruira od elementarnih euklidskih simpleksa (trokut, tetraedar, pentahora) dimenzija reda plankovskih, uzimajući u obzir načelo kauzaliteta. Četverodimenzionalnost i pseudoeuklidska priroda prostor-vremena na makroskopskim mjerilima u njemu nisu postulirane, već su posljedica teorije.

Orff. gravitacija, -ja Lopatinov pravopisni rječnik

Općenito, opisuje ga Einsteinova opća teorija relativnosti. U kvantnoj granici, gravitacijska interakcija je navodno opisana kvantnom teorijom gravitacije, koja još nije razvijena.

Gravitacija ima iznimno važnu ulogu u strukturi i evoluciji Svemira (uspostavlja vezu između gustoće Svemira i brzine njegovog širenja), određujući ključne uvjete za ravnotežu i stabilnost astronomskih sustava. Bez gravitacije ne bi bilo planeta, zvijezda, galaksija ili crnih rupa u Svemiru.

Gravitacijsko privlačenje

Zakon gravitacije

Zakon univerzalne gravitacije jedna je od primjena zakona inverznog kvadrata, koji se također nalazi u proučavanju zračenja (vidi, na primjer, Svjetlosni tlak), a izravna je posljedica kvadratnog povećanja površine sfera s rastućim polumjerom, što dovodi do kvadratnog smanjenja doprinosa bilo koje jedinice površine površini cijele sfere.

Gravitacijsko polje je, kao i polje gravitacije, potencijalno. To znači da možete uvesti potencijalnu energiju gravitacijskog privlačenja para tijela, a ta se energija neće promijeniti nakon pomicanja tijela duž zatvorene petlje. Potencijalnost gravitacijskog polja povlači za sobom zakon održanja zbroja kinetičke i potencijalne energije i pri proučavanju gibanja tijela u gravitacijskom polju često znatno pojednostavljuje rješenje. U okviru Newtonove mehanike, gravitacijska interakcija je dugodometna. To znači da, bez obzira koliko se masivno tijelo giba, u bilo kojoj točki prostora gravitacijski potencijal ovisi samo o položaju tijela u određenom trenutku vremena.

Veliki svemirski objekti - planeti, zvijezde i galaksije imaju ogromnu masu i stoga stvaraju značajna gravitacijska polja.

Gravitacija je najslabija interakcija. No, budući da djeluje na svim udaljenostima i da su sve mase pozitivne, ipak je vrlo važna sila u Svemiru. Konkretno, elektromagnetska interakcija između tijela na kozmičkoj razini je mala, budući da je ukupni električni naboj tih tijela jednak nuli (materija kao cjelina je električki neutralna).

Također, gravitacija je, za razliku od drugih interakcija, univerzalna u svom djelovanju na svu materiju i energiju. Nisu otkriveni objekti koji uopće nemaju gravitacijsku interakciju.

Zbog svoje globalne prirode, gravitacija je odgovorna za tako velike učinke kao što su struktura galaksija, crne rupe i širenje Svemira, te za elementarne astronomske pojave - orbite planeta, te za jednostavno privlačenje površini planeta. Zemlja i pad tijela.

Gravitacija je bila prva interakcija koju je opisala matematička teorija. Aristotel (IV. st. pr. Kr.) smatrao je da predmeti različite mase padaju različitim brzinama. A tek mnogo kasnije (1589.) Galileo Galilei eksperimentalno je utvrdio da to nije tako - ako se eliminira otpor zraka, sva tijela ubrzavaju jednako. Zakon univerzalne gravitacije Isaaca Newtona (1687.) dobro je opisao općenito ponašanje gravitacije. Godine 1915. Albert Einstein stvorio je Opću teoriju relativnosti, koja točnije opisuje gravitaciju u smislu geometrije prostorvremena.

Video na temu

Nebeska mehanika i neki njezini zadaci

Najjednostavniji problem nebeske mehanike je gravitacijska interakcija dva točkasta ili sferna tijela u praznom prostoru. Ovaj problem u okviru klasične mehanike rješava se analitički u zatvorenom obliku; rezultat njegova rješenja često se formulira u obliku triju Keplerovih zakona.

Kako se broj tijela koja međusobno djeluju povećava, zadatak postaje dramatično kompliciraniji. Dakle, već poznati problem triju tijela (odnosno gibanja triju tijela s masama različitim od nule) ne može se analitički riješiti u općem obliku. Kod numeričkog rješenja vrlo brzo dolazi do nestabilnosti rješenja u odnosu na početne uvjete. Kada se primijeni na Sunčev sustav, ova nam nestabilnost ne dopušta da točno predvidimo kretanje planeta na skalama većim od sto milijuna godina.

U nekim posebnim slučajevima moguće je pronaći približno rješenje. Najvažniji je slučaj kada je masa jednog tijela znatno veća od mase drugih tijela (primjeri: Sunčev sustav i dinamika Saturnovih prstenova). U ovom slučaju, kao prvu aproksimaciju, možemo pretpostaviti da laka tijela ne djeluju jedno na drugo i da se kreću Keplerovom putanjom oko masivnog tijela. Interakcije između njih mogu se uzeti u obzir unutar okvira teorije poremećaja i prosječne tijekom vremena. U tom slučaju mogu nastati netrivijalni fenomeni, kao što su rezonancije, atraktori, kaos, itd. Jasan primjer takvih fenomena je složena struktura Saturnovih prstenova.

Unatoč pokušajima da se precizno opiše ponašanje sustava velikog broja privlačnih tijela približno iste mase, to se ne može učiniti zbog fenomena dinamičkog kaosa.

Jaka gravitacijska polja

U jakim gravitacijskim poljima (kao i pri kretanju u gravitacijskom polju relativističkim brzinama) počinju se javljati učinci opće teorije relativnosti (OTR):

• mijenjanje geometrije prostor-vremena;
  • kao posljedica, odstupanje zakona gravitacije od Newtonovog;
  • a u ekstremnim slučajevima - pojava crnih rupa;
• kašnjenje potencijala povezano s konačnom brzinom širenja gravitacijskih poremećaja;
  • kao posljedica, pojava gravitacijskih valova;
• učinci nelinearnosti: gravitacija teži interakciji sama sa sobom, tako da načelo superpozicije u jakim poljima više ne vrijedi.

Gravitacijsko zračenje

Jedno od važnih predviđanja Opće teorije relativnosti je gravitacijsko zračenje, čija je prisutnost potvrđena izravnim promatranjima 2015. godine. Međutim, prethodno su postojali jaki neizravni dokazi u korist njegovog postojanja, naime: gubici energije u bliskim binarnim sustavima koji sadrže kompaktne gravitirajuće objekte (kao što su neutronske zvijezde ili crne rupe), posebno otkriveni 1979. u poznatom sustavu PSR B1913+16 (Hulse-Taylorov pulsar) - dobro se slažu s modelom opće relativnosti, u kojem se ta energija odnosi upravo gravitacijskim zračenjem.

Gravitacijsko zračenje mogu generirati samo sustavi s promjenjivim kvadrupolnim ili višim multipolnim momentima, ova činjenica sugerira da je gravitacijsko zračenje većine prirodnih izvora usmjereno, što znatno otežava njegovu detekciju. Snaga gravitacije n (\displaystyle n)-izvor polja je proporcionalan (v / c) 2 n + 2 (\displaystyle (v/c)^(2n+2)), ako je višepol električnog tipa, i (v / c) 2 n + 4 (\displaystyle (v/c)^(2n+4))- ako je multipol magnetskog tipa, gdje v (\displaystyle v) je karakteristična brzina kretanja izvora u sustavu zračenja, i c (\displaystyle c)- brzina svjetlosti u vakuumu. Dakle, dominantni moment će biti kvadrupolni moment električnog tipa, a snaga odgovarajućeg zračenja jednaka je:

Gdje Q i j (\displaystyle Q_(ij))- tenzor kvadrupolnog momenta raspodjele mase sustava zračenja. Konstantno G c 5 = 2,76 × 10 − 53 (\displaystyle (\frac (G)(c^(5)))=2,76\puta 10^(-53))(1/W) omogućuje procjenu reda veličine snage zračenja.

Suptilni učinci gravitacije

Mjerenje zakrivljenosti prostora u Zemljinoj orbiti (crtež umjetnika)

Osim klasičnih učinaka gravitacijskog privlačenja i dilatacije vremena, opća teorija relativnosti predviđa postojanje i drugih manifestacija gravitacije, koje su u zemaljskim uvjetima vrlo slabe pa je njihovo otkrivanje i eksperimentalna provjera vrlo teško. Donedavno se činilo da je prevladavanje ovih poteškoća izvan mogućnosti eksperimentatora.

Među njima posebno možemo navesti otpor inercijalnih referentnih okvira (ili Lense-Thirring efekt) i gravitomagnetsko polje. Godine 2005. NASA-ina robotska gravitacijska sonda B provela je precizan eksperiment bez presedana kako bi izmjerila te učinke u blizini Zemlje. Obrada dobivenih podataka provedena je do svibnja 2011. godine i potvrdila je postojanje i veličinu utjecaja geodetske precesije i otpora inercijalnih referentnih sustava, iako s točnošću nešto manjom od prvobitno pretpostavljene.

Nakon intenzivnog rada na analizi i izdvajanju buke mjerenja, konačni rezultati misije objavljeni su na tiskovnoj konferenciji na NASA-TV 4. svibnja 2011. i objavljeni u Physical Review Letters. Izmjerena vrijednost geodetske precesije bila je −6601,8±18,3 milisekundi lukova godišnje, a učinak uvlačenja - −37,2±7,2 milisekundi luka godišnje (usporedi s teoretskim vrijednostima od −6606,1 mas/godina i −39,2 mas/godina).

Klasične teorije gravitacije

Zbog činjenice da su kvantni učinci gravitacije iznimno mali čak i pod najekstremnijim uvjetima promatranja, još uvijek nema pouzdanih promatranja istih. Teorijske procjene pokazuju da se u velikoj većini slučajeva može ograničiti na klasični opis gravitacijske interakcije.

Postoji moderna kanonska klasična teorija gravitacije - opća teorija relativnosti, te mnoge razjašnjavajuće hipoteze i teorije različitog stupnja razvoja, koje se međusobno natječu. Sve te teorije daju vrlo slična predviđanja unutar aproksimacije u kojoj se trenutno provode eksperimentalna ispitivanja. Slijedi nekoliko osnovnih, najbolje razvijenih ili poznatih teorija gravitacije.

Opća teorija relativnosti

Međutim, opća teorija relativnosti bila je eksperimentalno potvrđena sve do nedavno (2012.). Osim toga, mnogi alternativni pristupi Einsteinovim, ali standardnim za modernu fiziku, pristupima formuliranja teorije gravitacije dovode do rezultata koji se podudaraju s općom relativnošću u niskoenergetskoj aproksimaciji, koja je jedina sada dostupna eksperimentalnoj provjeri.

Einstein-Cartanova teorija

Slična podjela jednadžbi u dvije klase također se pojavljuje u RTG-u, gdje je druga tenzorska jednadžba uvedena kako bi se uzela u obzir veza između neeuklidskog prostora i prostora Minkowskog. Zahvaljujući prisutnosti bezdimenzionalnog parametra u teoriji Jordan-Brans-Dicke, moguće ga je odabrati tako da se rezultati teorije podudaraju s rezultatima gravitacijskih eksperimenata. Štoviše, kako parametar teži beskonačnosti, predviđanja teorije postaju sve bliža općoj teoriji relativnosti, pa je Jordan-Brans-Dickeovu teoriju nemoguće opovrgnuti bilo kojim eksperimentom koji potvrđuje opću teoriju relativnosti.

Kvantna teorija gravitacije

Unatoč više od pola stoljeća pokušaja, gravitacija je jedina temeljna interakcija za koju još uvijek nije konstruirana općeprihvaćena dosljedna kvantna teorija. Pri niskim energijama, u duhu kvantne teorije polja, gravitacijska interakcija može se smatrati razmjenom gravitona—bozona kalibra spina 2. Međutim, rezultirajuća teorija se ne može renormalizirati i stoga se smatra nezadovoljavajućom.

Posljednjih desetljeća razvijeno je nekoliko obećavajućih pristupa rješavanju problema kvantiziranja gravitacije: teorija struna, petljasta kvantna gravitacija i drugi.

Teorija struna

U njemu se umjesto čestica i pozadinskog prostor-vremena pojavljuju strune i njihovi višedimenzionalni analozi - brane. Za visokodimenzionalne probleme, brane su visokodimenzionalne čestice, ali sa stajališta čestica koje se kreću iznutra ove brane, one su prostorno-vremenske strukture. Varijanta teorije struna je M-teorija.

Kružna kvantna gravitacija

Pokušava formulirati kvantnu teoriju polja bez pozivanja na prostorno-vremensku pozadinu; prema ovoj teoriji prostor i vrijeme sastoje se od diskretnih dijelova. Te male kvantne ćelije prostora povezane su jedna s drugom na određeni način, tako da na malim skalama vremena i duljine stvaraju šaroliku, diskretnu strukturu prostora, a na velikim skalama glatko se pretvaraju u kontinuirani glatki prostor-vrijeme. Dok mnogi kozmološki modeli mogu opisati ponašanje svemira samo od Planckovog vremena nakon Velikog praska, kvantna gravitacija u petlji može opisati sam proces eksplozije, pa čak i gledati dalje unatrag. Petljasta kvantna gravitacija omogućuje nam da opišemo sve čestice standardnog modela bez potrebe za uvođenjem Higgsovog bozona da objasnimo njihove mase.

Kauzalna dinamička triangulacija

Kauzalna dinamička triangulacija - prostorno-vremenski mnogostrukost u njoj je izgrađena od elementarnih euklidskih simpleksa (trokut, tetraedar, pentahora) dimenzija reda plankovskih, vodeći računa o principu kauzaliteta. Četverodimenzionalnost i pseudoeuklidska priroda prostor-vremena na makroskopskim mjerilima u njemu nisu postulirane, već su posljedica teorije.

Gravitacija u mikrokozmosu

Gravitacija u mikrokozmosu pri niskim energijama elementarnih čestica mnogo je redova veličine slabija od ostalih fundamentalnih međudjelovanja. Dakle, omjer sile gravitacijske interakcije dva protona u mirovanju i sile elektrostatičke interakcije jednak je 10 − 36 (\displaystyle 10^(-36)).

Za usporedbu zakona univerzalne gravitacije s Coulombovim zakonom, vrijednost G N m (\displaystyle (\sqrt (G_(N)))m) koji se naziva gravitacijski naboj. Zbog principa ekvivalencije mase i energije gravitacijski naboj jednaki G N E c 2 (\displaystyle (\sqrt (G_(N)))(\frac (E)(c^(2)))). Gravitacijska interakcija po snazi ​​postaje jednaka elektromagnetskoj kada je gravitacijski naboj jednak električnom G N E c 2 = e (\displaystyle (\sqrt (G_(N)))(\frac (E)(c^(2)))=e), odnosno kod energija E = e c 2 G N = 10 18 (\displaystyle E=(\frac (ec^(2))(\sqrt (G_(N))))=10^(18)) GeV, dosad nedostižan u akceleratorima elementarnih čestica.