Od czasów starożytnych ludzkość zastanawiała się, jak działa otaczający nas świat. Dlaczego rośnie trawa, dlaczego świeci słońce, dlaczego nie możemy latać… To ostatnie, nawiasem mówiąc, zawsze było przedmiotem szczególnego zainteresowania ludzi. Teraz wiemy, że przyczyną wszystkiego jest grawitacja. Czym jest i dlaczego to zjawisko jest tak ważne w skali Wszechświata, zastanowimy się dzisiaj.

Część wprowadzająca

Naukowcy odkryli, że wszystkie masywne ciała odczuwają wzajemne przyciąganie. Następnie okazało się, że ta tajemnicza siła determinuje także ruch ciał niebieskich po ich stałych orbitach. Sama teoria grawitacji została sformułowana przez geniusza, którego hipotezy przesądziły o rozwoju fizyki na wiele stuleci. Albert Einstein, jeden z najwybitniejszych umysłów ubiegłego wieku, rozwinął i kontynuował (aczkolwiek w zupełnie innym kierunku) tę naukę.

Przez wieki naukowcy obserwowali grawitację oraz próbowali ją zrozumieć i zmierzyć. Wreszcie w ciągu ostatnich kilku dekad nawet takie zjawisko jak grawitacja zostało oddane na służbę ludzkości (oczywiście w pewnym sensie). Co to jest, jaka jest definicja omawianego terminu we współczesnej nauce?

Definicja naukowa

Jeśli przestudiujesz dzieła starożytnych myślicieli, możesz dowiedzieć się, że łacińskie słowo „gravitas” oznacza „grawitację”, „przyciąganie”. Dziś naukowcy nazywają to uniwersalną i stałą interakcją pomiędzy ciała materialne. Jeśli siła ta jest stosunkowo słaba i działa tylko na obiekty poruszające się znacznie wolniej, wówczas ma do nich zastosowanie teoria Newtona. Jeżeli sytuacja jest odwrotna, należy skorzystać z wniosków Einsteina.

Zróbmy od razu zastrzeżenie: obecnie sama natura grawitacji nie jest w zasadzie w pełni poznana. Nadal nie do końca rozumiemy, co to jest.

Teorie Newtona i Einsteina

Według klasycznej nauki Izaaka Newtona wszystkie ciała przyciągają się z siłą wprost proporcjonalną do ich masy, odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości jaka je dzieli. Einstein argumentował, że grawitacja pomiędzy obiektami objawia się w przypadku zakrzywienia przestrzeni i czasu (a zakrzywienie przestrzeni jest możliwe tylko wtedy, gdy znajduje się w niej materia).

Pomysł ten był bardzo głęboki, ale współczesne badania dowodzą, że jest nieco niedokładny. Dziś uważa się, że grawitacja w przestrzeni jedynie zagina przestrzeń: czas można spowolnić, a nawet zatrzymać, jednak realność zmiany kształtu tymczasowej materii nie została teoretycznie potwierdzona. Dlatego klasyczne równanie Einsteina nie przewiduje nawet możliwości, że przestrzeń będzie nadal wpływać na materię i powstałe pole magnetyczne.

Najbardziej znane jest prawo grawitacji (powszechna grawitacja), którego matematyczne wyrażenie należy do Newtona:

\[ F = γ \frac[-1.2](m_1 m_2)(r^2) \]

γ odnosi się do stałej grawitacji (czasami używany jest symbol G), której wartość wynosi 6,67545 × 10−11 m³/(kg s²).

Oddziaływanie cząstek elementarnych

Niesamowita złożoność otaczającej nas przestrzeni wynika w dużej mierze z nieskończonej liczby cząstek elementarnych. Istnieją również różne interakcje między nimi na poziomach, których możemy się jedynie domyślać. Jednak wszystkie rodzaje interakcji między cząstkami elementarnymi różnią się znacznie pod względem siły.

Najpotężniejsze znane nam siły wiążą elementy razem jądro atomowe. Aby je rozdzielić, trzeba wydać naprawdę kolosalną ilość energii. Jeśli chodzi o elektrony, to są one „przyczepiane” do jądra jedynie za pomocą zwykłych elektronów, aby je zatrzymać, czasami wystarczy energia, która pojawia się w wyniku najzwyklejszej reakcji chemicznej. Grawitacja (już wiesz, co to jest) w postaci atomów i cząstek subatomowych jest najłatwiejszym rodzajem interakcji.

Pole grawitacyjne w tym przypadku jest tak słabe, że trudno je sobie wyobrazić. Co dziwne, to oni „monitorują” ruch ciał niebieskich, których masy czasami nie można sobie wyobrazić. Wszystko to jest możliwe dzięki dwóm cechom grawitacji, które są szczególnie widoczne w przypadku dużych ciał fizycznych:

• W przeciwieństwie do atomowych jest bardziej zauważalny w odległości od obiektu. Zatem grawitacja Ziemi utrzymuje nawet Księżyc w swoim polu, a podobna siła Jowisza z łatwością obsługuje orbity kilku satelitów jednocześnie, z których masa każdego jest porównywalna z masą Ziemi!
• Ponadto zawsze zapewnia przyciąganie między obiektami, a wraz z odległością siła ta słabnie przy małej prędkości.

Stworzenie mniej lub bardziej spójnej teorii grawitacji nastąpiło stosunkowo niedawno, a właśnie w oparciu o wyniki wielowiekowych obserwacji ruchu planet i innych ciał niebieskich. Zadanie znacznie ułatwił fakt, że wszystkie poruszają się w próżni, gdzie po prostu nie ma innych prawdopodobnych interakcji. Galileusz i Kepler, dwaj wybitni astronomowie tamtych czasów, swoimi najcenniejszymi obserwacjami pomogli przygotować grunt pod nowe odkrycia.

Ale tylko wielki Izaak Newton był w stanie stworzyć pierwszą teorię grawitacji i wyrazić ją matematycznie. Była to pierwsza zasada grawitacji, której matematyczne przedstawienie przedstawiono powyżej.

Wnioski Newtona i niektórych jego poprzedników

W przeciwieństwie do innych zjawisk fizycznych występujących w otaczającym nas świecie, grawitacja objawia się zawsze i wszędzie. Musisz zrozumieć, że termin „zero grawitacji”, często spotykany w kręgach pseudonaukowych, jest wyjątkowo niepoprawny: nawet nieważkość w kosmosie nie oznacza, że ​​dana osoba lub statek kosmiczny przyciąganie jakiegoś masywnego obiektu nie działa.

Ponadto wszystkie ciała materialne mają określoną masę, wyrażoną w postaci przyłożonej do nich siły i przyspieszenia uzyskanego w wyniku tego wpływu.

Zatem siły grawitacyjne są proporcjonalne do masy obiektów. Można je wyrazić liczbowo, uzyskując iloczyn mas obu rozpatrywanych ciał. Ta mocściśle przestrzega odwrotna relacja z kwadratu odległości między obiektami. Wszystkie inne oddziaływania zależą zupełnie inaczej od odległości pomiędzy dwoma ciałami.

Masa jako kamień węgielny teorii

Masa obiektów stała się szczególnym punktem spornym, wokół którego zbudowana jest cała współczesna teoria grawitacji i względności Einsteina. Jeśli pamiętasz Drugie, prawdopodobnie wiesz, że masa jest obowiązkową cechą każdego fizycznego ciała materialnego. Pokazuje, jak obiekt zachowa się, jeśli zostanie przyłożona do niego siła, niezależnie od jego pochodzenia.

Ponieważ wszystkie ciała (według Newtona) podlegają działaniu siła zewnętrzna przyspieszać, to masa określa, jak duże będzie to przyspieszenie. Rozważmy więcej jasny przykład. Wyobraź sobie hulajnogę i autobus: jeśli przyłożysz do nich dokładnie tę samą siłę, osiągną różną prędkość w różnym czasie. Wszystko to wyjaśnia teoria grawitacji.

Jaki jest związek między masą a grawitacją?

Jeśli mówimy o grawitacji, to masa w tym zjawisku pełni rolę zupełnie odwrotną do tej, jaką pełni w odniesieniu do siły i przyspieszenia obiektu. To ona jest głównym źródłem samego przyciągania. Jeśli weźmiesz dwa ciała i spojrzysz na siłę, z jaką przyciągają trzeci obiekt, który znajduje się w równych odległościach od pierwszych dwóch, wówczas stosunek wszystkich sił będzie równy stosunkowi mas dwóch pierwszych obiektów. Zatem siła ciężkości jest wprost proporcjonalna do masy ciała.

Jeśli rozważymy Trzecie Prawo Newtona, zobaczymy, że mówi ono dokładnie to samo. Siła grawitacji, która działa na dwa ciała znajdujące się w równych odległościach od źródła przyciągania, zależy bezpośrednio od masy tych obiektów. W Życie codzienne mówimy o sile, z jaką ciało jest przyciągane do powierzchni planety, jako o jego ciężarze.

Podsumujmy niektóre wyniki. Zatem masa jest ściśle powiązana z przyspieszeniem. Jednocześnie to ona określa siłę, z jaką grawitacja będzie działać na ciało.

Cechy przyspieszania ciał w polu grawitacyjnym

Ta niesamowita dwoistość powoduje, że w tym samym polu grawitacyjnym przyspieszenia zupełnie różnych obiektów będą równe. Załóżmy, że mamy dwa ciała. Jednemu z nich przypiszemy masę z, a drugiemu masę Z. Obydwa ciała spadają na ziemię, gdzie spadają swobodnie.

Jak określa się stosunek sił przyciągania? Pokazuje to najprostszy wzór matematyczny- z/Z. Ale przyspieszenie, jakie otrzymają w wyniku siły grawitacji, będzie absolutnie takie samo. Mówiąc najprościej, przyspieszenie, jakie posiada ciało w polu grawitacyjnym, nie zależy w żaden sposób od jego właściwości.

Od czego zależy przyspieszenie w opisywanym przypadku?

Zależy to tylko (!) od masy obiektów tworzących to pole, a także od ich położenia przestrzennego. Podwójna rola masy i jednakowego przyspieszenia różnych ciał w polu grawitacyjnym jest odkrywana od stosunkowo dawna. Zjawiska te otrzymały następne imię: „Zasada równoważności”. Termin ten po raz kolejny podkreśla, że ​​przyspieszenie i bezwładność są często równoważne (oczywiście do pewnego stopnia).

O znaczeniu wartości G

Z kurs szkolny fizycy pamiętamy to przyspieszenie swobodny spadek na powierzchni naszej planety (grawitacja Ziemi) wynosi 10 m/s² (oczywiście 9,8, ale dla ułatwienia obliczeń przyjęto tę wartość). Zatem jeśli nie uwzględnimy oporów powietrza (na dużej wysokości i przy niewielkiej drodze upadku), efekt uzyskamy w momencie, gdy ciało uzyska przyrost przyspieszenia o 10 m/s. każda sekunda. Zatem książka, która spadła z drugiego piętra domu, pod koniec lotu będzie poruszać się z prędkością 30-40 m/s. Mówiąc najprościej, 10 m/s to „prędkość” grawitacji wewnątrz Ziemi.

Przyspieszenie grawitacyjne w literaturze fizycznej jest oznaczone literą „g”. Ponieważ kształt Ziemi jest w pewnym stopniu bardziej przypomina mandarynkę niż kulkę, wartość tej wartości nie jest taka sama we wszystkich jej obszarach. Zatem przyspieszenie jest większe na biegunach, a na szczytach wysokich gór staje się mniejsze.

Nawet w przemyśle wydobywczym grawitacja odgrywa ważną rolę. Fizyka tego zjawiska może czasem zaoszczędzić sporo czasu. Dlatego geolodzy są szczególnie zainteresowani idealnie dokładnym określeniem g, ponieważ pozwala to na eksplorację i lokalizację złóż minerałów z wyjątkową dokładnością. Swoją drogą, jak wygląda wzór na grawitację, w którym wielkość, którą rozważaliśmy, odgrywa ważną rolę? Tutaj jest:

Notatka! W tym przypadku wzór na grawitację oznacza przez G „stałą grawitacyjną”, której znaczenie podaliśmy już powyżej.

Swego czasu Newton sformułował powyższe zasady. Doskonale rozumiał zarówno jedność, jak i uniwersalność, nie potrafił jednak opisać wszystkich aspektów tego zjawiska. Zaszczyt ten przypadł Albertowi Einsteinowi, który także potrafił wyjaśnić zasadę równoważności. To jemu ludzkość zawdzięcza współczesne zrozumienie samej natury kontinuum czasoprzestrzennego.

Teoria względności, dzieła Alberta Einsteina

W czasach Izaaka Newtona wierzono, że punkty odniesienia można przedstawić w postaci pewnego rodzaju sztywnych „prętów”, za pomocą których ustala się położenie ciała w przestrzennym układzie współrzędnych. Jednocześnie założono, że wszyscy obserwatorzy wyznaczający te współrzędne znajdą się w tej samej przestrzeni czasowej. W tamtych latach przepis ten uznawano za na tyle oczywisty, że nie próbowano go podważać ani uzupełniać. I jest to zrozumiałe, ponieważ w granicach naszej planety nie ma odchyleń ta reguła NIE.

Einstein udowodnił, że dokładność pomiaru naprawdę miałaby znaczenie, gdyby hipotetyczny zegar poruszał się znacznie wolniej niż prędkość światła. Mówiąc najprościej, jeśli jeden obserwator, poruszając się wolniej niż prędkość światła, zaobserwuje dwa zdarzenia, to wydarzą się one dla niego w tym samym czasie. Odpowiednio, dla drugiego obserwatora? których prędkość jest taka sama lub większa, zdarzenia mogą wystąpić w różnym czasie.

Ale jaki związek ma grawitacja z teorią względności? Przyjrzyjmy się temu pytaniu szczegółowo.

Związek teorii względności z siłami grawitacyjnymi

W ostatnie lata W dziedzinie cząstek subatomowych dokonano ogromnej liczby odkryć. Coraz silniejsze jest przekonanie, że wkrótce odnajdziemy ostatnią cząstkę, poza którą nasz świat nie może się rozdrobnić. Tym bardziej nagląca staje się potrzeba dokładnego ustalenia, w jaki sposób na najmniejsze „cegiełki” naszego wszechświata wpływają te podstawowe siły, które odkryto w ubiegłym stuleciu, a nawet wcześniej. Szczególnie rozczarowujące jest to, że sama natura grawitacji nie została jeszcze wyjaśniona.

Dlatego po Einsteinie, który stwierdził „niekompetencję” mechaniki klasycznej Newtona w rozpatrywanym obszarze, badacze skupili się na całkowitym ponownym przemyśleniu uzyskanych wcześniej danych. Sama grawitacja przeszła poważną rewizję. Co to jest na poziomie cząstek subatomowych? Czy ma to jakieś znaczenie w tym niesamowitym wielowymiarowym świecie?

Proste rozwiązanie?

Początkowo wielu zakładało, że rozbieżność między grawitacją Newtona a teorią względności można wyjaśnić po prostu poprzez analogie z dziedziny elektrodynamiki. Można założyć, że pole grawitacyjne rozchodzi się jak pole magnetyczne, po czym można je uznać za „mediatora” w oddziaływaniach ciał niebieskich, wyjaśniającego wiele niespójności pomiędzy starą i nową teorią. Faktem jest, że wówczas względne prędkości propagacji omawianych sił byłyby znacznie mniejsze od prędkości światła. Jak więc grawitacja i czas są ze sobą powiązane?

W zasadzie samemu Einsteinowi prawie udało się skonstruować teorię relatywistyczną opartą właśnie na takich poglądach, ale tylko jedna okoliczność przeszkodziła mu w realizacji tego zamiaru. Żaden z ówczesnych naukowców nie posiadał żadnych informacji, które mogłyby pomóc w określeniu „prędkości” grawitacji. Ale było wiele informacji związanych z ruchami dużych mas. Jak wiadomo, były one właśnie ogólnie przyjętym źródłem pojawienia się potężnych pól grawitacyjnych.

Wysokie prędkości znacznie wpływają na masy ciał i w niczym nie przypomina to interakcji prędkości i ładunku. Im większa prędkość, tym większa masa ciała. Problem w tym, że ta ostatnia wartość automatycznie stałaby się nieskończona, gdyby poruszał się z prędkością światła lub szybciej. Dlatego Einstein doszedł do wniosku, że nie istnieje pole grawitacyjne, ale pole tensorowe, aby opisać, jakich znacznie więcej zmiennych należy użyć.

Jego zwolennicy doszli do wniosku, że grawitacja i czas są praktycznie niezwiązane. Faktem jest, że samo to pole tensorowe może oddziaływać na przestrzeń, ale nie jest w stanie wpływać na czas. Jednak genialny współczesny fizyk Stephen Hawking ma inny punkt widzenia. Ale to zupełnie inna historia...

Pomimo tego, że grawitacja jest najsłabsza interakcja między obiektami we Wszechświecie, jego znaczenie w fizyce i astronomii jest ogromne, ponieważ może wpływać na obiekty fizyczne w dowolnej odległości w przestrzeni.

Jeśli interesujesz się astronomią, prawdopodobnie zastanawiałeś się, czym jest takie pojęcie jak grawitacja lub prawo powszechnego ciążenia. Grawitacja jest uniwersalną, podstawową interakcją pomiędzy wszystkimi obiektami we Wszechświecie.

Odkrycie prawa grawitacji przypisuje się słynnemu angielskiemu fizykowi Izaakowi Newtonowi. Zapewne wielu z Was zna historię jabłka, które spadło na głowę słynnego naukowca. Jeśli jednak spojrzysz głębiej w historię, zobaczysz, że o istnieniu grawitacji myśleli na długo przed swoją erą filozofowie i naukowcy starożytności, na przykład Epikur. Jednak to Newton jako pierwszy opisał oddziaływanie grawitacyjne pomiędzy ciałami fizycznymi w ramach mechaniki klasycznej. Jego teorię rozwinął inny znany naukowiec, Albert Einstein, który w swojej ogólnej teorii względności dokładniej opisał wpływ grawitacji w przestrzeni, a także jej rolę w kontinuum czasoprzestrzennym.

Prawo powszechnego ciążenia Newtona mówi, że siła przyciągania grawitacyjnego pomiędzy dwoma punktami mas oddzielonymi odległością jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości i wprost proporcjonalna do obu mas. Siła grawitacji ma duży zasięg. Oznacza to, że niezależnie od tego, jak porusza się ciało posiadające masę, w mechanice klasycznej jego potencjał grawitacyjny będzie zależał wyłącznie od położenia tego obiektu w ten moment czas. Im większa masa obiektu, tym większe jest jego pole grawitacyjne – tym potężniejsza jest siła grawitacji. Obiekty kosmiczne, takie jak galaktyki, gwiazdy i planety, mają Największa siła przyciąganie i odpowiednio silne pola grawitacyjne.

Pola grawitacyjne

Pole grawitacyjne Ziemi

Pole grawitacyjne to odległość, w jakiej zachodzi oddziaływanie grawitacyjne pomiędzy obiektami we Wszechświecie. Im większa masa obiektu, tym silniejsze jest jego pole grawitacyjne – tym bardziej zauważalny jest jego wpływ na inne ciała fizyczne w określonej przestrzeni. Pole grawitacyjne obiektu jest potencjalne. Istotą poprzedniego stwierdzenia jest to, że jeśli wprowadzimy energię potencjalną przyciągania pomiędzy dwoma ciałami, to nie ulegnie ona zmianie po przesunięciu tego ostatniego po zamkniętej pętli. Stąd pochodzi kolejne słynne prawo zachowania sumy energii potencjalnej i kinetycznej w zamkniętej pętli.

W świat materialny pole grawitacyjne ma ogromne znaczenie. Posiadają go wszystkie obiekty materialne we Wszechświecie, które posiadają masę. Pole grawitacyjne może wpływać nie tylko na materię, ale także na energię. To właśnie pod wpływem pól grawitacyjnych tak dużych obiektów kosmicznych jak czarne dziury, kwazary i supermasywne gwiazdy powstają układy słoneczne, galaktyki i inne gromady astronomiczne, które charakteryzują się logiczną budową.

Najnowsze dane naukowe pokazują, że słynny efekt rozszerzania się Wszechświata również opiera się na prawach oddziaływania grawitacyjnego. W szczególności ekspansję Wszechświata ułatwiają potężne pola grawitacyjne, zarówno jego małych, jak i największych obiektów.

Promieniowanie grawitacyjne w układzie podwójnym

Promieniowanie grawitacyjne lub fala grawitacyjna to termin wprowadzony do fizyki i kosmologii przez słynnego naukowca Alberta Einsteina. Promieniowanie grawitacyjne w teorii grawitacji powstaje w wyniku ruchu obiektów materialnych ze zmiennym przyspieszeniem. Podczas przyspieszania obiektu fala grawitacyjna wydaje się od niego „odrywać”, co prowadzi do wahań pola grawitacyjnego w otaczającej przestrzeni. Nazywa się to efektem fali grawitacyjnej.

Chociaż fale grawitacyjne są przewidziane w ogólnej teorii względności Einsteina i innych teoriach grawitacji, nigdy nie zostały bezpośrednio wykryte. Wynika to przede wszystkim z ich ekstremalnej małości. Jednak w astronomii istnieją pośrednie dowody, które mogą potwierdzić ten efekt. Zatem wpływ fali grawitacyjnej można zaobserwować na przykładzie zbieżności gwiazd podwójnych. Obserwacje potwierdzają, że tempo konwergencji gwiazd podwójnych zależy w pewnym stopniu od utraty energii z tych obiektów kosmicznych, która prawdopodobnie jest wydawana na promieniowanie grawitacyjne. Naukowcy będą mogli wiarygodnie potwierdzić tę hipotezę w najbliższej przyszłości, korzystając z nowej generacji teleskopów Advanced LIGO i VIRGO.

We współczesnej fizyce istnieją dwie koncepcje mechaniki: klasyczna i kwantowa. Mechanika kwantowa powstała stosunkowo niedawno i zasadniczo różni się od mechaniki klasycznej. W mechanice kwantowej obiekty (kwanty) nie mają określonych pozycji i prędkości; wszystko tutaj opiera się na prawdopodobieństwie. Oznacza to, że obiekt może zajmować określone miejsce w przestrzeni w określonym momencie. Nie można wiarygodnie określić, dokąd się następnie przeniesie, ale można to określić z dużym prawdopodobieństwem.

Ciekawym efektem grawitacji jest to, że może ona zakrzywić kontinuum czasoprzestrzenne. Teoria Einsteina stwierdza, że ​​w przestrzeni wokół wiązki energii lub jakiejkolwiek substancji materialnej czasoprzestrzeń jest zakrzywiona. W związku z tym zmienia się trajektoria cząstek znajdujących się pod wpływem pola grawitacyjnego tej substancji, co pozwala z dużym prawdopodobieństwem przewidzieć trajektorię ich ruchu.

Teorie grawitacji

Dziś naukowcy znają kilkanaście różnych teorii grawitacji. Dzieli się je na teorie klasyczne i alternatywne. Najbardziej znanym przedstawicielem tej pierwszej jest klasyczna teoria grawitacji Izaaka Newtona, która została wynaleziona przez słynnego brytyjskiego fizyka już w 1666 roku. Jego istota polega na tym, że masywne ciało w mechanice generuje wokół siebie pole grawitacyjne, które przyciąga mniej duże obiekty. Z kolei te ostatnie również posiadają pole grawitacyjne, jak wszystkie inne obiekty materialne we Wszechświecie.

Kolejną popularną teorię grawitacji wymyślił światowej sławy niemiecki naukowiec Albert Einstein na początku XX wieku. Einstein był w stanie dokładniej opisać grawitację jako zjawisko, a także wyjaśnić jej działanie nie tylko w mechanice klasycznej, ale także w świecie kwantowym. Jego ogólna teoria względności opisuje zdolność siły takiej jak grawitacja do wpływania na kontinuum czasoprzestrzenne, a także na trajektorię cząstek elementarnych w przestrzeni.

Spośród alternatywnych teorii grawitacji na największą uwagę zasługuje chyba teoria relatywistyczna, którą wymyślił nasz rodak, słynny fizyk A.A. Łogunow. W przeciwieństwie do Einsteina Logunow argumentował, że grawitacja nie jest geometrycznym, ale rzeczywistym, dość silnym polem sił fizycznych. Wśród alternatywnych teorii grawitacji znane są także skalarne, bimetryczne, kwaziliniowe i inne.

1. Osobom, które były w kosmosie i wróciły na Ziemię, na początku dość trudno jest przyzwyczaić się do siły oddziaływania grawitacyjnego naszej planety. Czasami zajmuje to kilka tygodni.
2. Udowodniono, że Ludzkie ciało w stanie nieważkości może stracić do 1% masy szpiku kostnego miesięcznie.
3. Spośród planet Układu Słonecznego Mars ma najmniejszą siłę grawitacji, a Jowisz największą.
4. Bakterie Salmonella, o których wiadomo, że powodują choroby jelit, w stanie nieważkości zachowują się bardziej aktywnie i są w stanie powodować do ludzkiego ciała dużo więcej szkody.
5. Spośród wszystkich znanych obiektów astronomicznych we Wszechświecie czarne dziury mają największą siłę grawitacji. Czarna dziura wielkości piłki golfowej może mieć taką samą siłę grawitacji jak cała nasza planeta.
6. Siła grawitacji na Ziemi nie jest taka sama we wszystkich zakątkach naszej planety. Na przykład w regionie Zatoki Hudsona w Kanadzie jest ona niższa niż w innych regionach świata.

Grawitacja pojawiła się jako nauka o przyciąganiu ciał. Do pierwszej połowy XX wieku cała teoria grawitacji opierała się wyłącznie na prawach Newtona. Czasami nazywa się to grawitacją Newtona. Na początku XX wieku zgromadzono sporo faktów eksperymentalnych i teoretycznych wskazujących na niedokładność grawitacji Newtona.

Do faktów eksperymentalnych należy na przykład przesunięcie perhelium orbity Merkurego. Wiadomo, że orbita Merkurego wokół Słońca jest elipsą, punkt najbliższy Słońcu nazywa się perhelium. Elipsa ta nie stoi w miejscu, ale obraca się powoli, zmieniając w ten sposób położenie peryhelium. Jak wykazały eksperymenty z początku XX wieku, perhelium porusza się szybciej, niż przewidują prawa Newtona.

Poniższy fakt można przypisać niedokładnościom teoretycznym. Jak wiadomo, dobrym inercjalnym układem odniesienia jest swobodnie spadająca winda. Wszystkie procesy we wszystkich swobodnie opadających windach są takie same. Jednak wyobraźmy sobie dwie spadające windy. Jeden na przykład w Afryce, a drugi w Ameryka Południowa. Głowice wind będą inercjalnymi układami odniesienia, ale względem siebie będą się poruszać z przyspieszeniem. Fakt ten jest sprzeczny z pierwszym prawem Newtona.

Ponadto teoria grawitacji Newtona opiera się na koncepcji grawitacji, która jest siłą o dużym zasięgu: działa natychmiastowo w dowolnej odległości. Ten natychmiastowy charakter działania jest niezgodny ze szczególną teorią względności. Według tej teorii żadna informacja nie może przemieszczać się szybciej niż prędkość światła w próżni.

W latach dwudziestych Einstein zaproponował zupełnie nową teorię grawitacji. W ramach tej teorii postuluje się, że efekty grawitacyjne powstają nie w wyniku oddziaływania siłowego ciał i pól znajdujących się w czasoprzestrzeni, ale deformację samej czasoprzestrzeni, co jest związane w szczególności z obecnością energii masowej.

Zróbmy małą dygresję. Według teorii Einsheina masa i energia reprezentują ten sam parametr ciała. Związek między masą a energią wyraża prosty wzór E = m c^2. Jak wiadomo z SRT (tutaj link), masa ciała wzrasta, jeśli się mu to powie energia kinetyczna. Efekt staje się zauważalny, gdy prędkość ciała zbliża się do prędkości światła. Podobny efekt wystąpi np. gdy ciało się rozgrzeje. Jednak ze względu na duży parametr c = 300 000 km/s dość trudno jest zauważyć taki efekt. W dalszym opisie będziemy się starali unikać podobnych sformułowań matematycznych.

Zatem opis oddziaływania grawitacyjnego pomiędzy ciałami można sprowadzić do opisu czasoprzestrzeni, w której poruszają się ciała. Naturalnym jest założenie, że ciała poruszają się na zasadzie bezwładności, to znaczy w taki sposób, że ich przyspieszenie we własnym układzie odniesienia wynosi zero. Trajektorie ciał będą wówczas tzw. liniami geodezyjnymi. Precyzyjna definicja linia geodezyjna jest dość złożona. Powiedzmy, że w przypadku płaskiej przestrzeni linia geodezyjna jest po prostu linią prostą. Na przykład linia geodezyjna Ziemi w Układzie Słonecznym jest elipsą - jest to orbita Ziemi.

Spróbujmy jasno opisać mechanizm interakcji pomiędzy dwoma masywnymi ciałami. Najłatwiej to zrobić w przypadku dwuwymiarowym (a nie w przypadku 4-wymiarowym, jak w rzeczywistości). Ciężkie piłki będziemy przedstawiać jako masywne ciała, a miękką gumową matę jako przestrzeń uginającą się, jeśli umieścimy w niej masywne ciała. Przypomnijmy, że jest to jedynie model wizualnej reprezentacji grawitacji Einsteina. Połóżmy piłkę na macie; pod ciężarem tej piłki mata lekko się ugnie. Powstały otwór jest modelem zakrzywionej przestrzeni. Jeśli umieścisz w pobliżu drugą piłkę, wydaje się, że zacznie ona być przyciągana do pierwszej, ponieważ pierwsza jest jakby w dołku.

Podobny efekt można bezpośrednio zaobserwować wystrzelając dwie kule równolegle do siebie wzdłuż gumowej membrany, na której środku umieszczony jest masywny przedmiot. Kulki się rozproszą: ta, która była bliżej obiektu przepychającego się przez membranę, będzie mocniej dążyć do środka niż kula bardziej odległa. Ta rozbieżność wynika z krzywizny membrany.

Teoria Einsteina nie odpowiada na pytanie, dlaczego masywne ciała zaginają przestrzeń. A także dlaczego ciała poruszają się po liniach geodezyjnych. Wszystko to jest tylko założeniem i jak mówi sama teoria, są to właściwości samej przestrzeni, w której żyjemy. Jednakże równania teorii grawitacji Einsteina dają jak dotąd najdokładniejszy obraz ruchu obiektów we wszechświecie.

Przydatne jest podanie równania grawitacji Einsteina.

Po prawej Równanie to zawiera tzw. tensor energii i pędu. To on opisuje masę i energię materii w danym punkcie przestrzeni. Po lewej stronie znajdują się dwa człony, pierwszy to tensor Einsteina – wielkość opisująca krzywiznę przestrzeni. Zatem równanie to daje związek między masą ciał w przestrzeni a krzywizną tej właśnie przestrzeni.

Po lewej stronie równania znajduje się kolejny człon - jest to tzw. człon lambda. To właśnie ten członek budzi największe kontrowersje wśród naukowców. Fakty historyczne wskazują, że Einstein dodał ten termin do równania w ostatniej chwili – kiedy wszystkie obliczenia zostały już wykonane, a powody, dla których warto dodać ten termin do równania, są zupełnie nieznane. Faktem jest, że ten element w pewnym sensie jest odpowiedzialny za właściwość samej przestrzeni. Mianowicie dlatego, że przestrzeń, niezależnie od umieszczonych w niej ciał, będzie się szybko rozszerzać. Przyspieszenie, z jakim rozszerza się przestrzeń, jest bardzo małe i niezwykle trudno je zmierzyć eksperymentalnie.

Wyślij swoją dobrą pracę do bazy wiedzy jest prosta. Skorzystaj z poniższego formularza

Studenci, doktoranci, młodzi naukowcy, którzy wykorzystują bazę wiedzy w swoich studiach i pracy, będą Państwu bardzo wdzięczni.

Wysłany dnia http://www.allbest.ru/

STRESZCZENIE Na temat:

„Teoria grawitacji”

Wstęp

Oddziaływania grawitacyjne

Silne pola grawitacyjne

Promieniowanie grawitacyjne

Subtelne efekty grawitacji

Ogólna teoria względności

Teoria Einsteina-Cartana

Teoria Brunsa-Dicke'a

Teoria Le Sage’a

Kwantowa teoria grawitacji

Teoria strun

Pętla grawitacja kwantowa

Literatura

promieniowanie grawitacyjne grawitacja Einsteina

Wstęp

Grawitacja (przyciąganie, uniwersalna grawitacja, grawitacja) (od łacińskiego gravitas - „grawitacja”) jest uniwersalną podstawową interakcją między wszystkimi ciałami materialnymi. W przybliżeniu małych prędkości i słabego oddziaływania grawitacyjnego opisuje to teoria grawitacji Newtona, w ogólnym przypadku ogólna teoria względności Einsteina. Grawitacja jest najsłabszym z czterech rodzajów podstawowych oddziaływań. W granicy kwantowej oddziaływanie grawitacyjne należy opisać kwantową teorią grawitacji, która nie została jeszcze w pełni rozwinięta.

Oddziaływania grawitacyjne

W ramach mechaniki klasycznej oddziaływanie grawitacyjne opisuje prawo powszechnego ciążenia Newtona, które stwierdza, że ​​siła przyciągania grawitacyjnego pomiędzy dwoma materialnymi punktami masowymi oddalonymi od siebie odległością jest proporcjonalna do obu mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu masy odległość - czyli:

Tutaj G jest stałą grawitacji, równą w przybliżeniu 6,6725×10⋅11 m/(kg sI).

Prawo powszechnego ciążenia jest jednym z zastosowań prawa odwrotności kwadratów, które można znaleźć również w badaniu promieniowania (patrz na przykład Ciśnienie światła) i jest bezpośrednią konsekwencją kwadratowego wzrostu obszaru kula o rosnącym promieniu, co prowadzi do kwadratowego zmniejszenia udziału dowolnej powierzchni jednostkowej w powierzchni całej kuli.

Pole grawitacyjne, podobnie jak pole grawitacyjne, jest potencjalne. Oznacza to, że można wprowadzić energię potencjalną przyciągania grawitacyjnego pary ciał, a energia ta nie ulegnie zmianie po przesunięciu ciał po zamkniętej pętli. Z potencjalności pola grawitacyjnego wynika prawo zachowania sumy energii kinetycznej i potencjalnej, a przy badaniu ruchu ciał w polu grawitacyjnym często znacznie upraszcza się rozwiązanie. W ramach mechaniki Newtona oddziaływanie grawitacyjne ma charakter dalekiego zasięgu. Oznacza to, że niezależnie od tego, jak porusza się masywne ciało, w dowolnym punkcie przestrzeni potencjał grawitacyjny zależy jedynie od położenia ciała w danym momencie.

Duże obiekty kosmiczne - planety, gwiazdy i galaktyki - mają ogromną masę i dlatego tworzą znaczne pola grawitacyjne.

Grawitacja jest najsłabszym oddziaływaniem. Ponieważ jednak działa na wszystkich odległościach i wszystkie masy są dodatnie, jest mimo to bardzo ważną siłą we Wszechświecie. W szczególności oddziaływanie elektromagnetyczne pomiędzy ciałami w skala kosmiczna jest mały, ponieważ całkowity ładunek elektryczny tych ciał wynosi zero (substancja jako całość jest elektrycznie obojętna).

Ponadto grawitacja, w przeciwieństwie do innych interakcji, ma uniwersalny wpływ na całą materię i energię. Nie odkryto żadnych obiektów, które w ogóle nie oddziaływałyby grawitacyjnie.

Grawitacja ze względu na swój globalny charakter odpowiada za skutki tak wielkoskalowe, jak budowa galaktyk, czarne dziury i ekspansja Wszechświata, a także za elementarne zjawiska astronomiczne - orbity planet i proste przyciąganie do powierzchni Ziemia i upadek ciał.

Grawitacja była pierwszą interakcją opisaną przez teorię matematyczną. Arystoteles wierzył, że spadają przedmioty o różnej masie przy różnych prędkościach. Dopiero znacznie później Galileo Galilei eksperymentalnie ustalił, że tak nie jest – jeśli wyeliminujemy opór powietrza, wszystkie ciała będą przyspieszać jednakowo. Prawo powszechnego ciążenia Izaaka Newtona (1687) dobrze opisywało ogólne zachowanie grawitacji. W 1915 roku Albert Einstein stworzył Ogólną Teorię Względności, która dokładniej opisuje grawitację w kategoriach geometrii czasoprzestrzeni.

Mechanika nieba i niektóre jej zadania

Dział mechaniki badający ruch ciał w pustej przestrzeni jedynie pod wpływem grawitacji nazywa się mechaniką nieba.

Najprostszym problemem mechaniki nieba jest oddziaływanie grawitacyjne dwóch ciał punktowych lub kulistych w pustej przestrzeni. Problem ten w ramach mechaniki klasycznej rozwiązuje się analitycznie w formie zamkniętej; wynik jego rozwiązania jest często formułowany w formie trzy prawa Keplera.

W miarę wzrostu liczby oddziałujących ze sobą ciał zadanie staje się dramatycznie bardziej skomplikowane. Tak, już sławny zadanie za trzy ciał (czyli ruchu trzech ciał o niezerowych masach) nie można rozwiązać analitycznie ogólna perspektywa. W przypadku rozwiązania numerycznego niestabilność rozwiązań względem warunków początkowych następuje dość szybko. W odniesieniu do Układu Słonecznego ta niestabilność nie pozwala nam dokładnie przewidzieć ruchu planet w skalach przekraczających sto milionów lat.

W niektórych szczególnych przypadkach możliwe jest znalezienie rozwiązania przybliżonego. Najważniejszy jest przypadek, gdy masa jednego ciała jest znacznie większa od masy innych ciał (przykłady: Układ Słoneczny i dynamika pierścieni Saturna). W tym przypadku w pierwszym przybliżeniu możemy założyć, że ciała świetliste nie oddziałują ze sobą i poruszają się po trajektoriach keplerowskich wokół masywnego ciała. Interakcje między nimi można uwzględnić w ramach teorii zaburzeń i uśrednić w czasie. W takim przypadku mogą wystąpić nietrywialne zjawiska, takie jak rezonanse, atraktory, chaos itp. Wyraźnym przykładem takich zjawisk jest złożona budowa pierścieni Saturna.

Pomimo prób dokładnego opisania zachowania układu dużej liczby przyciągających się ciał o w przybliżeniu tej samej masie, nie da się tego zrobić ze względu na zjawisko chaosu dynamicznego.

Silne pola grawitacyjne

W silnych polach grawitacyjnych, a także podczas poruszania się w polu grawitacyjnym z relatywistycznymi prędkościami zaczynają pojawiać się efekty ogólnej teorii względności (GTR):

· zmiana geometrii czasoprzestrzeni;

· w konsekwencji odchylenie prawa grawitacji od Newtona;

· a w skrajnych przypadkach – pojawienie się czarnych dziur;

· opóźnienie potencjałów związane ze skończoną prędkością propagacji zaburzeń grawitacyjnych;

· w konsekwencji pojawienie się fal grawitacyjnych;

· efekty nieliniowe: grawitacja ma tendencję do oddziaływania ze sobą, więc zasada superpozycji w silnych polach już nie obowiązuje.

Promieniowanie grawitacyjne

Jednym z ważnych przewidywań Ogólnej Teorii Względności jest promieniowanie grawitacyjne, którego obecność nie została jeszcze potwierdzona bezpośrednimi obserwacjami. Istnieją jednak mocne dowody pośrednie przemawiające za jego istnieniem, a mianowicie: straty energii w bliskich układach podwójnych zawierających zwarte obiekty grawitacyjne (takie jak gwiazdy neutronowe czy czarne dziury), w szczególności w słynnym układzie PSR B1913+16 (Hulse-Taylor pulsar) - są zgodne z ogólnym modelem względności, w którym energia ta jest odprowadzana właśnie przez promieniowanie grawitacyjne.

Od 1969 roku (eksperymenty Webera) podejmowane są próby bezpośredniej detekcji promieniowania grawitacyjnego. W USA, Europie i Japonii funkcjonuje obecnie kilka detektorów naziemnych (LIGO, VIRGO, TAMA, GEO 600), a także projekt kosmicznego detektora grawitacyjnego LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Detektor naziemny w Rosji jest opracowywany w Centrum Naukowym Badań Fal Grawitacyjnych Dulkyn w Republice Tatarstanu.

Subtelne efekty grawitacji

Oprócz klasycznych efektów przyciągania grawitacyjnego i dylatacji czasu, ogólna teoria względności przewiduje istnienie innych przejawów grawitacji, które w warunkach ziemskich są bardzo słabe i dlatego ich wykrycie i weryfikacja eksperymentalna są bardzo trudne. Do niedawna pokonanie tych trudności wydawało się przekraczać możliwości eksperymentatorów.

Do nich można w szczególności zaliczyć opór inercjalnych układów odniesienia (czyli efekt Lense-Thirringa) oraz pole grawitomagnetyczne. W 2005 roku należąca do NASA automatyczna sonda grawitacyjna B przeprowadziła bezprecedensowy precyzyjny eksperyment, aby zmierzyć te efekty w pobliżu Ziemi. Przetwarzanie uzyskanych danych prowadzono do maja 2011 roku i potwierdziło istnienie i wielkość skutków precesji geodezyjnej i oporu inercyjnych układów odniesienia, choć z nieco mniejszą niż pierwotnie zakładano dokładnością.

Po intensywnych pracach nad analizą i wyodrębnieniem szumu pomiarowego ostateczne wyniki misji ogłoszono na konferencji prasowej w NASA-TV w dniu 4 maja 2011 r. i opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters. Zmierzona wartość precesji geodezyjnej wyniosła 6601,8±18,3 milisekund łukowych na rok, a efekt oporu wynoszący 37,2±7,2 milisekund łukowych na rok (porównaj z wartościami teoretycznymi: 6606,1 mas/rok i 39,2 mas/rok).

Klasyczna teoria grawitacji Newtona

Klasyczna teoria grawitacji Newtomna (prawo powszechnego ciążenia Newtomna) to prawo opisujące oddziaływanie grawitacyjne w ramach mechaniki klasycznej. Prawo to odkrył Newton około 1666 roku. Stwierdza ona, że ​​siła przyciągania grawitacyjnego pomiędzy dwoma punktami materialnymi o masach m1 i m2, oddalonymi od siebie o odległość R, jest proporcjonalna do obu mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi, czyli:

Właściwości grawitacji newtonowskiej:

· W teorii Newtona każde masywne ciało generuje pole siłowe przyciągania tego ciała, które nazywa się polem grawitacyjnym. Pole to jest potencjalne, a funkcję potencjału grawitacyjnego dla punktu materialnego o masie M określa wzór:

W ogólnym przypadku, gdy gęstość substancji c jest rozłożona dowolnie, q spełnia równanie Poissona:

Rozwiązanie tego równania zapisuje się jako:

gdzie r jest odległością między elementem objętości dV a punktem, w którym wyznacza się potencjał μ, C jest dowolną stałą.

· Siłę przyciągania działającą w polu grawitacyjnym na punkt materialny o masie m wiąże się z potencjałem wzorem:

· Ciało sferycznie symetryczne wytwarza poza swoimi granicami takie samo pole, jak punkt materialny o tej samej masie, znajdujący się w środku ciała.

· Trajektoria punktu materialnego w polu grawitacyjnym utworzonym przez znacznie większą masę punkt materialny, podlega prawom Keplera. W szczególności planety i komety w Układzie Słonecznym poruszają się po elipsach lub hiperbolach. Wpływ innych planet, który zniekształca ten obraz, można uwzględnić w teorii zaburzeń.

Dokładność prawa powszechnego ciążenia Newtona

Eksperymentalna ocena stopnia dokładności prawa ciążenia Newtona jest jednym z potwierdzeń ogólnej teorii względności. Doświadczenia z pomiarem oddziaływania kwadrupolowego obracającego się ciała i nieruchomej anteny wykazały, że przyrost wyrażenia na zależność potencjału Newtona w odległości kilku metrów mieści się w granicach. Inne eksperymenty również potwierdziły brak modyfikacji prawa powszechnego ciążenia.

Prawo powszechnego ciążenia Newtona w 2007 roku zostało przetestowane na odległościach mniejszych niż jeden centymetr (od 55 mikronów do 9,53 mm). Uwzględniając błędy eksperymentalne, w badanym zakresie odległości nie stwierdzono odchyleń od prawa Newtona.

Alternatywne teorie grawitacji

Wskutek efekty kwantowe grawitacja jest niezwykle mała nawet w najbardziej ekstremalnych i obserwacyjnych warunkach, wciąż nie ma ich wiarygodnych obserwacji. Z szacunków teoretycznych wynika, że ​​w zdecydowanej większości przypadków można ograniczyć się do klasycznego opisu oddziaływania grawitacyjnego.

Istnieje współczesna kanoniczna klasyczna teoria grawitacji - ogólna teoria względności oraz wiele hipotez wyjaśniających i teorii o różnym stopniu rozwoju, konkurujących ze sobą. Wszystkie te teorie dają bardzo podobne przewidywania w ramach przybliżeń, w jakich obecnie przeprowadza się testy eksperymentalne. Poniżej znajduje się kilka podstawowych, najlepiej rozwiniętych i znanych teorii grawitacji.

Ogólna teoria względności

W standardowe podejście W ogólnej teorii względności (GR) grawitacja jest początkowo uważana nie za oddziaływanie sił, ale za przejaw krzywizny czasoprzestrzeni. Zatem w ogólnej teorii względności grawitacja jest interpretowana jako efekt geometryczny, a czasoprzestrzeń jest rozpatrywana w ramach nieeuklidesowej geometrii riemannowskiej (dokładniej pseudoriemannowskiej). Pole grawitacyjne (uogólnienie newtonowskiego potencjału grawitacyjnego), czasami nazywane również polem grawitacyjnym, w ogólnej teorii względności utożsamiane jest z polem tensorowym - metryką czterowymiarowej czasoprzestrzeni, a siłą pola grawitacyjnego - z afiniczna łączność czasoprzestrzeni określona przez metrykę.

Standardowym zadaniem ogólnej teorii względności jest wyznaczenie składowych tensora metrycznego, które razem definiują geometryczne właściwości czasoprzestrzeni, na podstawie znanego rozkładu źródeł energii i pędu w rozważanym czterowymiarowym układzie współrzędnych. Z kolei znajomość metryki pozwala obliczyć ruch cząstek testowych, co jest równoznaczne ze znajomością właściwości pola grawitacyjnego w danym układzie. Ze względu na tensorowy charakter równań ogólnej teorii względności, a także standardowe, fundamentalne uzasadnienie ich sformułowania, uważa się, że grawitacja również ma charakter tensorowy. Jedną z konsekwencji jest to, że promieniowanie grawitacyjne musi być rzędu co najmniej kwadrupolowego.

Wiadomo, że w ogólnej teorii względności występują trudności związane z niezmiennością energii pola grawitacyjnego, ponieważ energia ta nie jest opisana tensorem i można ją teoretycznie wyznaczyć różne sposoby. W klasycznej ogólnej teorii względności pojawia się także problem opisu oddziaływania spin-orbita (ponieważ spin rozciągniętego obiektu również nie ma jednoznacznej definicji). Uważa się, że istnieją pewne problemy z jednoznacznością wyników i uzasadnieniem spójności (problem osobliwości grawitacyjnych).

Jednak ogólna teoria względności została potwierdzona eksperymentalnie do niedawna (2012). Ponadto wiele alternatyw dla Einsteina, ale w standardzie współczesna fizyka podejścia do formułowania teorii grawitacji prowadzą do wyniku zbieżnego z ogólną teorią względności w przybliżeniu niskoenergetycznym, które jest obecnie jedynym dostępnym do weryfikacji eksperymentalnej.

Teoria Einsteina-Cartana

Teoria Einsteina-Cartana (EC) została opracowana jako rozszerzenie ogólnej teorii względności, obejmując wewnętrznie opis wpływu na czasoprzestrzeń, oprócz pędu energii, także spinu obiektów. W teorii EC wprowadza się skręcanie afiniczne i zamiast pseudo-riemańskiej geometrii czasoprzestrzeni stosuje się geometrię Riemanna-Cartana. W rezultacie przechodzą od teorii metrycznej do afinicznej teorii czasoprzestrzeni. Powstałe równania opisujące czasoprzestrzeń można podzielić na dwie klasy. Jedna z nich jest podobna do ogólnej teorii względności, z tą różnicą, że tensor krzywizny zawiera składowe o skręceniu afinicznym. Druga klasa równań określa związek pomiędzy tensorem skręcania a tensorem spinu materii i promieniowania. Wynikające z tego poprawki do ogólnej teorii względności w warunkach nowoczesny wszechświat tak małe, że nawet hipotetyczne sposoby ich pomiaru nie są jeszcze widoczne.

Teoria Brunsa-Dicke'a

W teoriach skalarno-tensorowych, z których najsłynniejsza jest teoria Bransa-Dicke'a (lub Jordana-Bransa-Dicke'a), pole grawitacyjne jako efektywna metryka czasoprzestrzeni jest wyznaczane nie tylko przez wpływ tensora energii i pędu materii, jak w ogólnej teorii względności, ale i dodatkowe grawitacyjne pole skalarne. Uważa się, że źródłem pola skalarnego jest zawiły tensor energii i pędu materii. W związku z tym teorie skalarno-tensorowe, takie jak ogólna teoria względności i RTG, należą do teorii metrycznych, które dostarczają wyjaśnienia grawitacji przy użyciu jedynie geometrii czasoprzestrzeni i jej właściwości metrycznych. Obecność pola skalarnego prowadzi do dwóch grup równań na składowe pola grawitacyjnego: jednego dla metryki, drugiego dla pola skalarnego. Teorię Bransa-Dicke'a, ze względu na obecność pola skalarnego, można również uznać za działającą w pięciowymiarowej rozmaitości składającej się z czasoprzestrzeni i pola skalarnego.

Podobny podział równań na dwie klasy występuje także w RTG, gdzie wprowadza się drugie równanie tensorowe, aby uwzględnić związek przestrzeni nieeuklidesowej z przestrzenią Minkowskiego. Dzięki obecności w teorii Jordana-Bransa-Dicke'a parametru bezwymiarowego staje się możliwy taki dobór go, aby wyniki teorii pokrywały się z wynikami eksperymentów grawitacyjnych. Jednocześnie w miarę jak parametr dąży do nieskończoności, przewidywania teorii coraz bardziej zbliżają się do ogólnej teorii względności, dlatego nie da się obalić teorii Jordana-Bransa-Dicke'a żadnym eksperymentem potwierdzającym ogólną teorię względności.

Teoria Le Sage’a

Teoria głosi, że siła grawitacji jest wynikiem ruchu poruszających się maleńkich cząstek wysoka prędkość we wszystkich kierunkach Wszechświata. Zakłada się, że intensywność przepływu cząstek jest taka sama we wszystkich kierunkach, zatem izolowany obiekt A jest uderzany cząstkami ze wszystkich stron, w wyniku czego zostaje poddany działaniu ciśnienia w obiekt, ale nie podlega sile kierunkowej P1.

Jednakże w przypadku obecności drugiego obiektu B, część cząstek, które w przeciwnym razie uderzyłyby w obiekt A od B, zostaje przechwycona, w związku z czym B pełni rolę ekranu, tj. z kierunku B obiekt A uderzy w mniej cząstek niż z kierunku przeciwnego. Podobnie obiekt B zostanie uderzony mniejszą liczbą cząstek ze strony A w porównaniu ze stroną przeciwną. Oznacza to, że można powiedzieć, że obiekty A i B „osłaniają” się nawzajem, a oba ciała są dociskane do siebie w wyniku powstałego braku równowagi sił (P2). Zatem pozorne przyciąganie między ciałami w tej teorii jest w rzeczywistości zmniejszonym naciskiem na ciało ze strony innych ciał. Z tego powodu teorię tę nazywa się czasami „grawitacją pchającą” lub „grawitacją cienia”, chociaż najczęstszą nazwą jest „grawitacja Le Sage’a”.

Charakter kolizji

Jeżeli zderzenie ciała A z cząstką grawitacyjną jest całkowicie sprężyste, intensywność odbitych cząstek będzie tak samo duża, jak cząstek nadlatujących, tj. nie pojawi się żadna siła skierowana netto. To stwierdzenie jest również prawdziwe, jeśli wprowadzimy drugie ciało B, które będzie działać jako ekran dla cząstek grawitacyjnych w kierunku ciała A. Cząstka grawitacyjna C, która normalnie uderzyłaby w obiekt A, jest blokowana przez B, ale inna cząstka D, która normalnie nie uderzyłaby w A, jest przekierowywana przez odbicie sprężyste do obiektu B i tym samym zastępuje C. Zatem, jeśli zderzenie jest całkowicie sprężyste, cząstki odbite pomiędzy obiektami A i B całkowicie znoszą jakikolwiek efekt „osłaniania”. Aby wyjaśnić istotę siły grawitacji, należy założyć, że zderzenie cząstek nie jest całkowicie sprężyste, lub przynajmniej, że odbite cząstki ulegają spowolnieniu, tj. ich pęd maleje po zderzeniu. Doprowadzi to do tego, że strumień o zmniejszonym pędzie opuszcza obiekt A, ale nadpływa strumień o niezmienionym pędzie, w związku z czym pojawia się impuls skierowany netto w stronę środka obiektu A (P3). Jeżeli przyjmiemy to założenie, to cząstki odbite w przypadku 2 oddziałujących ze sobą ciał nie kompensują całkowicie efektu ekranowania, gdyż strumień odbity jest słabszy od strumienia padającego na ciało.

Obraterska zależność kwadratowa

Z naszego założenia, że ​​część (lub wszystkie) cząstek grawitacyjnych zbiegających się na obiekcie są przez ten obiekt pochłaniane lub spowalniane, wynika, że ​​natężenie przepływu cząstek grawitacyjnych emitowanych z masywnego obiektu jest mniejsze niż natężenie przepływu padającego na obiekt ten obiekt. Można założyć, że ta niezrównoważenie pędu przepływu, a co za tym idzie, siły przyłożonej do dowolnego ciała w pobliżu obiektu, rozkłada się na kulistej powierzchni skupionej na tym obiekcie (P4). Nierównowaga pędu przepływu po całej powierzchni kuli otaczającej obiekt jest niezależna od wielkości otaczającej kuli, jednocześnie pole powierzchni kuli zwiększa się proporcjonalnie do kwadratu promienia. W rezultacie nierównowaga pędu na jednostkę powierzchni zmniejsza się jako odwrotność kwadratowej funkcji odległości.

Proporcjonalność do masy

Z faktów przedstawionych powyżej wynika siła, która jest wprost proporcjonalna tylko do powierzchni ciała. Ale siła grawitacji jest również proporcjonalna do mas. Aby zaspokoić potrzebę proporcjonalności masy, teoria stwierdza, że: a) podstawowe elementy materii są bardzo małe, zatem materia składa się głównie z pustej przestrzeni; b) że cząstki grawitacyjne są tak małe, że tylko bardzo mała ich część jest przechwytywana przez materię. W efekcie „cień” każdego ciała jest wprost proporcjonalny do powierzchni każdego z podstawowych pierwiastków materii. Jeśli teraz założymy, że elementarne nieprzezroczyste (dla cząstek grawitacyjnych) elementy całej materii są identyczne (tj. mają ten sam stosunek gęstości do powierzchni), to wynika z tego, że efekt ekranowania jest (przynajmniej w przybliżeniu) proporcjonalny do masy (P5).

Kwantowa teoria grawitacji

Pomimo ponad pół wieku prób, grawitacja jest jedyną podstawową interakcją, dla której nie powstała jeszcze ogólnie przyjęta, spójna teoria kwantowa. Przy niskich energiach, w duchu kwantowej teorii pola, oddziaływanie grawitacyjne można przedstawić jako wymianę grawitonów – bozonów o spinie 2. Jednak uzyskanej teorii nie można renormalizować i dlatego uważa się ją za niezadowalającą.

W ostatnie dziesięciolecia Opracowano trzy obiecujące podejścia do rozwiązania problemu kwantyzacji grawitacji: teorię strun, pętlową grawitację kwantową i przyczynową triangulację dynamiczną.

Teoria strun

Teoretycy strun to gałąź fizyki teoretycznej, która bada dynamikę i interakcje nie cząstek punktowych, ale jednowymiarowych obiektów rozciągniętych, tzw. strun kwantowych. Teoria strun łączy idee mechanika kwantowa i teorię względności, zatem na jej podstawie można by budować teoria przyszłości grawitacja kwantowa.

Teoria strun opiera się na hipotezie, że wszystkie cząstki elementarne i ich podstawowe oddziaływania powstają w wyniku oscylacji i oddziaływań ultramikroskopowych strun kwantowych w skalach rzędu długości Plancka wynoszącej 10–35 m. Podejście to z jednej strony jest błędne. pozwala uniknąć takich trudności kwantowej teorii pola, jak renormalizacja, a z drugiej strony prowadzi do głębszego spojrzenia na strukturę materii i czasoprzestrzeni. Kwantowa teoria strun powstała na początku lat 70. XX wieku w wyniku zrozumienia wzorów Gabriele Veneziano związanych ze strunowymi modelami struktury hadronów. Połowa lat 80. i 90. XX wieku charakteryzowała się szybkim rozwojem teorii strun; spodziewano się, że w niedalekiej przyszłości na jej podstawie powstanie tzw. „jednolita teoria”, czyli „teoria wszystkiego”. sformułowane, poszukiwania, których Einstein bezskutecznie spędził dziesięciolecia. Jednak pomimo matematycznego rygoru i integralności teorii nie znaleziono jeszcze opcji potwierdzenie eksperymentalne teoria strun. Powstała, by opisać fizykę hadronów, ale nie do końca się do tego nadała, teoria znalazła się w swego rodzaju eksperymentalnej próżni w opisywaniu wszelkich interakcji.

Jednym z głównych problemów przy próbie opisania procedury redukcji teorii strun z wymiaru 26 lub 10 do fizyki niskich energii w wymiarze 4 jest duże ilości opcje kompaktowania dodatkowe wymiary na rozmaitościach Calabiego-Yau i na orbifoldach, które są prawdopodobnie szczególnymi przypadkami ograniczającymi przestrzeni Calabiego-Yau. Duża liczba możliwe rozwiązania od późnych lat siedemdziesiątych i wczesnych osiemdziesiątych XX wieku stworzył problem znany jako „problem krajobrazowy”, powodując, że niektórzy naukowcy kwestionują, czy teoria strun zasługuje na status naukowy.

Pomimo tych trudności rozwój teorii strun pobudził rozwój formalizmów matematycznych, głównie geometrii algebraicznej i różniczkowej, topologii, a także umożliwił lepsze zrozumienie struktury wcześniejszych teorii grawitacji kwantowej. Rozwój teorii strun trwa i można mieć nadzieję, że brakujące elementy teorii strun i odpowiadających im zjawisk zostaną odnalezione w najbliższej przyszłości, m.in. w wyniku eksperymentów w Wielkim Zderzaczu Hadronów.

Pętla grawitacji kwantowej

Próbuje sformułować kwantową teorię pola bez odniesienia do tła czasoprzestrzennego. Zgodnie z tą teorią przestrzeń i czas składają się z odrębnych części. Te małe kwantowe komórki przestrzeni są ze sobą w określony sposób połączone, dzięki czemu w małych skalach czasu i długości tworzą pstrokatą, dyskretną strukturę przestrzeni, a w dużych skalach płynnie przekształcają się w ciągłą, gładką czasoprzestrzeń. Chociaż wiele modeli kosmologicznych może opisać zachowanie wszechświata dopiero od czasów Plancka Wielki Wybuch, pętlowa grawitacja kwantowa może opisać sam proces eksplozji, a nawet patrzeć w przyszłość. Pętlowa grawitacja kwantowa pozwala opisać wszystkie cząstki modelu standardowego bez konieczności wprowadzania bozonu Higgsa w celu wyjaśnienia ich mas.

Przyczynowa triangulacja dynamiczna

W nim rozmaitość czasoprzestrzenna zbudowana jest z elementarnych sympleksów euklidesowych (trójkąt, czworościan, pięciokąt) o wymiarach rzędu Plancka, z uwzględnieniem zasady przyczynowości. Czterowymiarowość i pseudoeuklidesowy charakter czasoprzestrzeni w skalach makroskopowych nie są w niej postulowane, lecz są konsekwencją teorii.

Literatura

1. Vizgin V.P. Relatywistyczna teoria grawitacji (pochodzenie i powstawanie, 1900-1915). M.: Nauka, 1981. 352 s.

2. Vizgin V. P. Ujednolicone teorie w I tercji XX w. M.: Nauka, 1985. 304 s.

3. Ivanenko D. D., Sardanashvili G. A. Grawitacja. wydanie 3. M.: URSS, 2008. 200 s.

4. Mizner Ch., Thorne K., Wheeler J. Grawitacja. M.: Mir, 1977.

5. Thorne K. Czarne dziury i fałdy czasu. Odważne dziedzictwo Einsteina. M.: Państwowe Wydawnictwo Literatury Fizycznej i Matematycznej, 2009.

Opublikowano na Allbest.ru

Podobne dokumenty

Historia powstania ogólnej teorii względności Einsteina. Zasada równoważności i geometria grawitacji. Czarne dziury. Soczewki grawitacyjne i brązowe karły. Relatywistyczna i cechująca teoria grawitacji. Zmodyfikowana dynamika Newtona.

streszczenie, dodano 12.10.2013


Etapy obliczeń granic stref energetycznych w sąsiedztwie planety Ziemia. Ogólna charakterystyka teorii grawitacji. Wprowadzenie do głównych cech słynnego trzeciego prawa Keplera, analiza obszarów zastosowań. Uwzględnienie szczególnej teorii względności.

test, dodano 17.05.2014


Fundamentalne interakcje fizyczne stanowią istotne podstawy materialnej organizacji Wszechświata. Prawo powszechnego ciążenia. Teoria grawitacji Newtona. Analiza trendów łączenia interakcji na poziomie kwantowym. Kwantowa teoria pola.

prezentacja, dodano 25.11.2016


Uogólnienie prawa ciążenia Newtona. Zasada równoważności sił bezwładności i grawitacji. Energia potencjalna ciała. Teoria grawitacji Einsteina. Postanowienia ogólnej teorii względności (GTR). Wnioski z zasady równoważności potwierdzającej ogólną teorię względności.

prezentacja, dodano 13.02.2016


Istotą grawitacji jest uniwersalna, fundamentalna interakcja pomiędzy ciałami materialnymi. Podobieństwa pomiędzy siłami grawitacyjnymi i elektromagnetycznymi. Interesujące fakty o grawitacji. Czarne dziury w centrach galaktyk. Eksperymentalna antygrawitacja.

streszczenie, dodano 25.11.2014


Krótki szkic życia, rozwoju osobistego i twórczego angielskiego fizyka i matematyka Izaaka Newtona. Opracowanie teorii grawitacji i obliczenie orbity Księżyca z jej wykorzystaniem. Prawa ruchu i ich znaczenie w mechanice klasycznej. Eksperymenty z pryzmatem.

streszczenie, dodano 13.06.2009


Analiza podstawowych idei naukowych i ideologicznych fizyka teoretycznego i ważnej osoby publicznej Alberta Einsteina. Podstawowe zasady i postulaty szczególnej i ogólnej teorii względności. Podstawy teorii kwantowej i kosmologii relatywistycznej.

streszczenie, dodano 14.12.2010


Pytania o mechanizm powstawania jednolitego systemu czasu Wszechświata. Naturalna warunkowość istnienia czasu. Zasady przyczynowości i paradoksy Newtona. Analiza oddziaływań kwantowych. Zjawisko chwilowego propagacji grawitacji.

streszczenie, dodano 27.11.2010


Siły grawitacyjne jako jeden z rodzajów siły podstawowe. Teoria grawitacji Newtona. Prawa Keplera i prędkości kosmiczne. Tożsamość mas bezwładności i grawitacji jako podstawa ogólnej teorii względności Einsteina. Teoria obserwacji Kopernika.

prezentacja, dodano 13.02.2016


Oddziaływanie grawitacyjne jest pierwszą interakcją opisaną przez teorię matematyczną. Mechanika nieba i niektóre jej zadania. Silne pola grawitacyjne. Promieniowanie grawitacyjne. Subtelne efekty grawitacji. Klasyczne teorie grawitacji.

System dwóch gwiazdy neutronowe generuje środowisko - zmarszczki czasoprzestrzeni

Powaga (uniwersalna grawitacja, grawitacja) to podstawowe oddziaływanie w przyrodzie, któremu podlegają wszystkie ciała posiadające masę. Przede wszystkim grawitacja działa na skalę kosmiczną.

Termin powaga używany również jako nazwa sekcji fizyki badającej pole grawitacyjne i interakcję grawitacyjną.

Oddziaływanie grawitacyjne

Najważniejszą właściwością grawitacji jest to, że wywoływane przez nią przyspieszenie małych ciał testowych jest prawie niezależne od masy tych ciał. Wynika to z faktu, że grawitacja jako siła w przyrodzie jest wprost proporcjonalna do masy oddziałujących ciał. Kiedy rozmiary ciał osiągają rozmiary planet i gwiazd, siła grawitacji staje się decydująca i tworzy kulisty kształt tych obiektów. Wraz z dalszym wzrostem rozmiaru do poziomu gromad i supergromad galaktyk efekt wydaje się ograniczony. Prowadzi to do tego, że supergromady już ich nie mają zaokrąglony kształt, ale przypominają wydłużone włókna w kształcie cygara przylegające do węzłów z najbardziej masywnymi gromadami galaktyk. Oddziaływanie grawitacyjne jest jednym z czterech podstawowych oddziaływań w naszym świecie. W ramach mechaniki klasycznej opisano oddziaływanie grawitacyjne prawo powszechnego ciążenia Newtona, zgodnie z którym siła przyciągania grawitacyjnego pomiędzy dwoma ciałami o masie oddalonymi od siebie wynosi

.

Tutaj - równy m 3 /(kg s 2). Znak minus oznacza, że ​​siła działająca na ciało badawcze jest zawsze skierowana wzdłuż wektora promienia od ciała badawczego do źródła pola grawitacyjnego, tj. oddziaływanie grawitacyjne zawsze prowadzi do przyciągania ciał.

Pole grawitacyjne jest potencjalne. Oznacza to, że można wprowadzić energię potencjalną przyciągania grawitacyjnego pary ciał, a energia ta nie ulegnie zmianie po przesunięciu ciał po zamkniętej pętli. Z potencjalności pola grawitacyjnego wynika prawo zachowania sumy energii kinetycznej i potencjalnej, co przy badaniu ruchu ciał w polu grawitacyjnym często znacznie upraszcza rozwiązanie.

W ramach mechaniki Newtona oddziaływanie grawitacyjne jest daleki zasięg. Oznacza to, że niezależnie od tego, jak porusza się masywne ciało, w dowolnym punkcie przestrzeni potencjał grawitacyjny i siła zależą jedynie od położenia ciała w danym momencie. Jednak księgowość Niezmienniczość Lorentza siła grawitacji i opóźnienie propagacji oddziaływania grawitacyjnego przy zastosowaniu rozwiązania dla potencjałów Liénarda i Wiecherta prowadzi do tego, że poruszając się z stała prędkość W układach odniesienia dodatkowa składowa siły powstaje w wyniku siły grawitacji. Sytuacja jest całkowicie równoważna sytuacji z siłą elektryczną, gdy obserwator poruszając się, wykrywa także pole magnetyczne i siłę magnetyczną proporcjonalną do prędkości jego ruchu. ruchy. Powoduje to konieczność uwzględnienia ograniczonej prędkości propagacji grawitacji prowadzącej do posesji krótki zasięg i opóźnienia oddziaływań grawitacyjnych. Na przełomie XIX i XX w., dzięki wysiłkom szeregu fizyków – O. Heaviside’a, A. Poincaré’a, G. Minkowskiego, A. Sommerfelda, H. Lorenza i innych – położono podwaliny (LITG ) opisujący grawitację w inercyjnych układach odniesienia przy prędkościach relatywistycznych

W rezultacie prawo powszechnego ciążenia Izaaka Newtona (1687) zostało włączone do niezmienniczej teorii grawitacji Lorentza, która dość dobrze przewidywała ogólne zachowanie grawitacji. W 1915 roku Albert Einstein stworzył (GTR), który opisuje zjawiska w polu grawitacyjnym w kategoriach geometrii czasoprzestrzeni i uwzględniając wpływ grawitacji na wyniki pomiarów czasoprzestrzeni.

Mechanika nieba i niektóre jej zadania

Dział mechaniki badający ruch ciał w pustej przestrzeni tylko pod wpływem grawitacji mechanika nieba.

Najprostszym problemem mechaniki nieba jest oddziaływanie grawitacyjne dwóch ciał w pustej przestrzeni. Problem ten został rozwiązany analitycznie do końca; wynik jego rozwiązania często formułuje się w postaci trzech praw Keplera.

W miarę wzrostu liczby oddziałujących ze sobą ciał zadanie staje się dramatycznie bardziej skomplikowane. Zatem słynnego już problemu trzech ciał (tj. ruchu trzech ciał o niezerowych masach) nie można rozwiązać analitycznie w ogólnej formie. W przypadku rozwiązania numerycznego niestabilność rozwiązań względem warunków początkowych następuje dość szybko. Ta niestabilność, zastosowana do Układu Słonecznego, uniemożliwia przewidzenie ruchu planet w skali przekraczającej sto milionów lat.

W niektórych szczególnych przypadkach możliwe jest znalezienie rozwiązania przybliżonego. Najważniejszy przypadek ma miejsce wtedy, gdy masa jednego ciała jest znacznie większa od masy pozostałych ciał (przykłady: Układ Słoneczny i dynamika pierścieni Saturna). W tym przypadku w pierwszym przybliżeniu możemy założyć, że ciała świetliste nie oddziałują ze sobą i poruszają się po trajektoriach keplerowskich wokół masywnego ciała. Interakcje między nimi można uwzględnić w ramach teorii zaburzeń i uśrednić w czasie. Mogą w tym przypadku powstać nietrywialne zjawiska, takie jak rezonanse, atraktory, chaos itp. Wyraźnym przykładem takich zjawisk jest nietrywialna budowa pierścieni Saturna.

Pomimo prób opisania długotrwałego zachowania układu dużej liczby przyciągających się ciał o w przybliżeniu tej samej masie, nie da się tego zrobić ze względu na zjawisko chaosu dynamicznego.

Silne pola grawitacyjne

W silnych polach grawitacyjnych lub podczas poruszania się z relatywistyczną prędkością zaczynają pojawiać się efekty ogólnej teorii względności:

• odchylenie prawa grawitacji od prawa Newtona;
• opóźnienie potencjałów związane ze skończoną prędkością propagacji zaburzeń grawitacyjnych; pojawienie się fal grawitacyjnych;
• efekty nieliniowe: fale grawitacyjne mają tendencję do wzajemnego oddziaływania, zatem zasada superpozycji fal w silnych polach nie jest już aktualna;
• zmiana geometrii widzialnej czasoprzestrzeni;
• rozwój osobliwości i pojawienie się . To prawda, że ​​​​jest to możliwe tylko w przypadku potencjalnie nieskończonego Wielka siła grawitacja, która nie została udowodniona. W rzeczywistości wykrywane są tylko bardzo gęste obiekty kosmiczne, takie jak gwiazdy neutronowe.

Promieniowanie grawitacyjne

Jedną z przewidywań Ogólnej Teorii Względności jest promieniowanie grawitacyjne, którego obecność nie została jeszcze potwierdzona bezpośrednimi obserwacjami. Istnieją jednak pośrednie dowody obserwacyjne na jego istnienie, a mianowicie: straty energii w układzie podwójnym z pulsarem PSR B1913+16 (pulsar Hulse'a-Taylora) są zgodne z modelem, w którym energia ta jest odprowadzana grawitacyjnie promieniowanie.

Zgodnie z ogólną teorią względności promieniowanie grawitacyjne może być generowane jedynie przez układy o zmiennych momentach kwadrupolowych lub wyższych momentach wielobiegunowych. Moc grawitacji I-źródło pola jest proporcjonalne, jeśli multipol ma typ elektryczny, oraz – jeżeli multipol jest typu magnetycznego, gdzie w jest charakterystyczną prędkością ruchu źródeł w układzie promieniującym, oraz C- prędkość światła. Zatem momentem dominującym jest moment kwadrupolowy typu elektrycznego, a moc odpowiedniego promieniowania jest równa:

gdzie jest tensorem momentu kwadrupolowego rozkładu masy układu promieniującego. Stały

W pozwala oszacować rząd wielkości mocy promieniowania.

Próby bezpośredniego wykrywania promieniowania grawitacyjnego podejmowane są od 1969 roku (eksperymenty Webera). W USA, Europie i Japonii funkcjonuje obecnie kilka detektorów naziemnych (LIGO, VIRGO, TAMA, GEO 600), a także projekt kosmicznego detektora grawitacyjnego LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Detektor naziemny w Rosji jest opracowywany w Naukowym Centrum Badań Fal Grawitacyjnych „Dulkin” w Republice Tatarstanu.

Subtelne efekty grawitacji

Oprócz klasycznych skutków przyciągania grawitacyjnego i dylatacji czasu, ogólna teoria względności przewiduje istnienie innych przejawów grawitacji, które w warunkach ziemskich są bardzo słabe i dlatego ich wykrycie i weryfikacja eksperymentalna są bardzo trudne. Do niedawna pokonanie tych trudności wydawało się przekraczać możliwości eksperymentatorów.

Wśród nich w szczególności można wymienić opór inercjalnych układów odniesienia (lub efekt Lense-Thirringa) i. W 2005 roku w ramach automatycznego eksperymentu NASA Gravity Probe B zmierzono te efekty w pobliżu Ziemi, ale wyniki zaprezentowane w 2007 roku wzbudziły kontrowersje ze względu na duże błędy pomiarowe.

Kwantowa teoria grawitacji

Pomimo półwiecznej historii prób, grawitacja jest jedyną podstawową interakcją, dla której nie zbudowano jeszcze spójnej struktury. renormalizowalne teoria kwantowa. Przy niskich energiach, w duchu kwantowej teorii pola, oddziaływanie grawitacyjne można przedstawić jako wymianę grawitonów – bozonów cechowania z 2 (jeśli wyjdziemy z koncepcji ogólnej teorii względności) lub ze spinem 1 dla niezmienniczej teorii Lorentza grawitacja (LITG).

Problem polega na tym, że przy wysokich energiach opis ogólnej teorii względności przestaje działać. Dlatego grawitacja kwantowa jest obecnie przedmiotem intensywnych badań teoretycznych.

Współczesne teorie grawitacji

W związku z tym, że nie poznano jeszcze wewnętrznej struktury ani jednego pola podstawowego, nie zmierzono parametrów nośników pola, pojawia się możliwość opisy pola grawitacyjnego przez kilka konkurencyjnych teorii. Wszystkie te teorie dają podobne wyniki w ramach przybliżeń, w jakich obecnie przeprowadza się badania eksperymentalne (patrz artykuł). Poniżej znajduje się kilka podstawowych, najlepiej rozwiniętych i znanych teorii grawitacji.

Ogólna teoria względności

W międzynarodowym układzie jednostek SI równania pola grawitacyjnego LITG mają postać:

,

Pole skrętne jest analogiem składowej pola magnetycznego w elektromagnetyzmie. Wyrażenie siły grawitacji jest następujące:

• M jest masą cząstki, na którą działa siła,
• wM– prędkość cząstek.

W przypadku skręcania na zewnątrz obracającego się korpusu wzór można wyprowadzić z powyższych równań pola:

,

Gdzie L jest momentem pędu obrotu ciała.

W wyniku działania pola torsyjnego w zjawiskach grawitacyjnych efekt jest możliwy.

Dla gęstości energii i wektora gęstości strumienia energii pola grawitacyjnego () okazuje się:

Ponieważ w LITG pole grawitacyjne jest wektorem i ma dwie składowe (przyspieszenie grawitacyjne i skręcanie), wówczas dopuszczalne staje się dipolowe promieniowanie grawitacyjne z przyspieszonych ciał masywnych. Promieniowanie takie może pojawić się np. podczas przyspieszonego ruchu ciała pod wpływem siły niegrawitacyjnej. Jednakże w ciałach całkowite dipolowe promieniowanie grawitacyjne dąży do zera w wyniku wzajemnej kompensacji promieniowania poszczególnych ciał i dominuje promieniowanie kwadrupolowe, zgodnie z ogólną teorią względności.

W polach słabych czasoprzestrzeń opisana jest jednostkowym tensorem metrycznym przestrzeni Minkowskiego i równaniami pola Niezmiennik Lorentza. Przy dużych prędkościach cząstek lub w wystarczająco silnych polach należy uwzględnić wpływ pola grawitacyjnego na wyniki pomiarów czasoprzestrzeni. Na przykład grawitacja może odchylać promienie świetlne od ich pierwotnego kierunku i zmieniać ich prędkość. Aby uwzględnić takie zjawiska, dokonuje się przejścia z LITG do CTG, zastępując we wzorach tensor metryczny przestrzeni Minkowskiego tensorem metrycznym zakrzywionej przestrzeni pseudo-Riemanna. Pozwala to na przedstawienie równań CTG w postaci tensora kowariantnego i z uwzględnieniem zmodyfikowanego tensora metrycznego. Równania tensorowe pola grawitacyjnego w dowolnym układzie odniesienia poprzez pochodne kowariantne mają postać:

,

gdzie istnieje 4-wektor gęstości pędu (gęstości prądu masowego) generujący pole grawitacyjne, antysymetryczny, składający się ze składnika .

Za pomocą tensora konstruujemy:

Dzięki temu tensorowi problem ogólnej teorii względności z tensorem gęstości energii i pędu pola grawitacyjnego jest automatycznie rozwiązywany w LITG i CTG. Tensor ten bierze udział w rozwiązywaniu wszystkich problemów związanych ze znalezieniem metryki. Wraz z warunkami brzegowymi (na przykład na powierzchni masywnych ciał) wyznacza to warunki niezbędne do prawidłowej identyfikacji układów odniesienia, unikając odpowiedniego problemu ogólnej teorii względności.

CTG różni się od ogólnej teorii względności swoimi równaniami ruchu. Jeśli w GTR stosuje się to samo równanie ruchu zarówno dla cząstek, jak i kwantów pola (w konsekwencji zasady równoważności), to w CTG równania ruchu dla cząstek i kwantów są różne i stanowią rozszerzone zastosowanie zasady zachowania energii i pędu prawo w postaci wektorowo-tensorowej.

Rozwiązując problemy w CTG, konieczne jest rozwiązanie układu równań różniczkowych trzech typów - równań dla składowych pola grawitacyjnego, równań dla metryki i równań ruchu. W tym przypadku ruch mas jako źródeł pola zmienia obraz pola, a metryka zmienia się nie tylko na skutek zmian w konfiguracji mas, ale także na skutek zmian natężeń pól grawitacyjnych. Równanie ruchu materii w CTG, w przeciwieństwie do ogólnej teorii względności, pozwala opisać ruch reaktywny, zamieniając się w słabe pole w relatywistyczne równanie Meshchersky’ego.

2. http://dulkyn.org.ru/ru/about.html.

3. Fedosin S.G. Masa, pęd i energia pola grawitacyjnego. Journal of Vectorial Relativity, tom. 3, Nie. 3 września 2008, s. 30-35); artykuł w języku rosyjskim: .

4. Logunov A.A., Mestvirishvili M.A. Podstawy relatywistycznej teorii grawitacji. – Wydawnictwo Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, 1986, s. 10-10. 308.