Гравітація

Відео: Гравітація, тяжіння, всесвітнє тяжіння - фундаментальна сила Всесвіту

гравітація - це властивість масивних тіл притягатися один до одного. Гравітація є, зокрема, причиною земного тяжіння, в результаті якого предмети падають додолу. Також орбіта Місяця навколо Землі і Землі та інших планет навколо Сонця визначається законами гравітації.
Вступ
Закон всесвітнього тяжіння був вперше сформульований Ісааком Ньютоном в 1687 році в роботі "Математичні принципи натуральної філософії". Цей закон знайшов застосування в астрономії. Було підтверджено відкриті раніше Кеплером закони руху планет. Теорія Ньютона заклала основи динаміки Сонячної системи і відкрила можливості передбачення руху планет, їх супутників і комет з вражаючою точністю.
У 1916 році на зміну теорії Ньютона прийшла Загальна теорія відносності, розроблена Альбертом Ейнштейном. У цій теорії гравітаційна взаємодія пов`язано з викривленням простору-часу поблизу масивних тіл. Різниця між теоріями Ньютона і Ейнштейна виявляє себе лише тоді, коли тіла рухаються зі швидкістю близькою до швидкості світла або гравітаційні поля є дуже сильними (наприклад поблизу нейтронних зірок і чорних дір). Для більшості практичних потреб, коли справа стосується слабких гравітаційних полів і невеликих швидкостей, ньютоновская формулювання є досить точним.
Гравітація є найслабшим з чотирьох відомих фундаментальних взаємодій. Однак внаслідок великого радіусу дії і за те, що її неможливо заекранувати, гравітація відіграє вирішальну роль в описі руху космічних об`єктів і в еволюції всесвіту.
Ньютонівських закон всесвітнього тяжіння
Ньютонівських закон всесвітнього тяжіння стверджує:

Два тіла з масами m 1 і m 2 притягують один одного з силою F прямо пропорційною добутку мас і обернено пропорційною квадрату відстані між ними:




Коефіцієнт пропорційності називається гравітаційною сталою. її величина

м 3 кг -1 с -2

Наведена вище формула дозволяє обчислити лише абсолютну величину сили тяжіння. Більш повним є векторне рівняння, що описує як величину гравітаційної сили так і її напрямок:



Величини, виділені жирним шрифтом, позначають вектори.



- Вектор сили, з якою тіло 1 діє на тіло 2
- Одиничний вектор направлений від тіла 1 до тіла 2
r 12 - відстань між тілами 1 і 2.

Сторо кажучи, наведені тут формули справедливі тільки для точкових об`єктів. Якщо тіла мають просторові розміри, силу тяжіння між ними слід вважати шляхом інтегрування сили в векторній формі за обсягами двох тіл. Можна показати, що для тіла з сферично-симетричним розподілом мас інтеграл дає ту ж силу тяжіння за межами цього тіла, яку давала точкова маса розташована в центрі тіла.
Прискорення тіла під дією гравітаційних сил не залежить від маси цього тіла. Дане властивість пов`язана з пропорційністю (в більшість систем фізичних одиниць - рівністю) інерційної і гравітаційної маси.
В рамках ньютонівської теорії передбачається, що зміна положення тіл веде до миттєвої зміни створюваними ними поля. Тобто вважається, що взаємодія пошірюется з нескінченною швидкістю. Дане припущення суперечить принципам спеціальної теорії відносності, яка обмежує максимальну швидкість поширення взаємодії швидкістю світла. У зв`язку з цим теорія Ньютона непридатна для опису гравітаційної взаємодії тіл, що рухаються з релятивістськими (тобто близькими до швидкості світла) швидкостями. Її також можна застосовувати в разі сильних гравітаційних полів, які здатні прискорити тіла до релятивістських швидкостей. Теорію тяжіння Ньютона називають також нерелятивистской теорією гравітації.
Загальна теорія відносності

Детальніше в статті Загальна теорія відносності


Загальна теорія відносності (ЗТВ) - це релятивістська теорія гравітації, опублікована Альбертом Ейнштейном в 1915 році. На відміну від нерелятивистской ньютонівської теорії тяжіння ОТО придатна також для опису гравітаційної взаємодії тіл, що рухаються зі швидкостями близькими до швидкості світла. Її також можна застосовувати в разі сильних гравітаційних полів, наприклад поблизу нейтронних зірок і чорних дір (проте тільки в тому випадку, коли можна знехтувати квантовими ефектами). В ОТО виникає цілий ряд нових ефектів зокрема таких як уповільнення течії часу в гравітаційному полі, залежність гравітаційної взаємодії від обертання тіл, гравітаційні хвилі і т.д.
Загальта теорія відносності - нелінійна, а це значить, що в загальному випадку гравітаційне поле не володіє властивостями адитивності. Поле, створене двома тілами не дорівнює сумі полів, створених цими тілами, взятими окремо.
У Сонячній системі ефекти ЗТВ проявляються крихітними відхиленнями фактичних траєкторій руху планет і інших космічну тел (в першу чергу Меркурія) від орбіт, розрахованих в рамках теорії Ньютона.
Труднощі квантової теорії гравітації
У квантовій теорії гравітації взаємодія передається за допомогою Гравітон - безмасовіх частинок зі спіном 2 (подібно до того, як електромагнітне взаємодія в квантової електродинаміки передається за допомогою фотонів).
У квантовій теорії поля виникають нескінченні величини (що розходяться інтеграли. На відміну від інших фундаментальних взаємодій, в квантової теорії гравітації проблему розбіжностей не вдається вирішити шляхом процедури перенормировок. Це робить квантову теорію гравітації внутрішньо суперечливою і не придатною для застосування при високих енергіях частинок.
Несуперечлива квантова теорія гравітації на сьогоднішній день ще не створена.


принцип еквівалентності
Положення про рівність важкої та інертної мас наводить на думку про еквівалентність гравітації і руху з прискоренням. Дійсно, система (наприклад космічний корабель або ліфт), яка рухається з прискоренням, рівним прискоренню вільного падіння в гравітаційному полі Землі (g), створювати в цьому місці простору такі ж ефекти, що і поле тяжіння. Всі предмети, що знаходяться в цій системі, так само як і тіла в полі тяжіння, матимуть однакову за значенням і напрямком прискорення. Перебуваючи всередині системи, прискорено рухаєтеся, ви не зможете ніяким способом відрізнити рух з прискоренням від тяжкості. Саме ця можливість еквівалентної заміни тяжіння рухом з прискоренням називається принципом еквівалентності Ейнштейна.
Багато в чому це було відомим і до Ейнштейна. Але, по-перше, Ейнштейн поширив принцип еквівалентності з механічних явищ на всі явища природи (включаючи, наприклад, світло). По-друге, до Ейнштейна еквівалентність тяжіння і руху з прискоренням розглядалася в мовчазному припущенні про миттєве поширення гравітаційної взаємодії. Завдання Ейнштейна полягало в тому, щоб зберегти становище еквівалентності в умовах справедливості сформульованого їм самим спеціального принципу відносності, згідно з яким жоден сигнал (в тому числі і гравітаційна взаємодія) не може поширюватися зі швидкістю, що перевищує швидкість світла. Цю задачу він вирішив в загальній теорії відносності.
маса світла
Астрономи давно виявили, що світло, що проходить поблизу великих зірок, має червонуватий відтінок. Сучасна теорія гравітації теоретично підтверджує цей факт.
Світло - це потік фотонів - частинок, що відповідають за передачу електромагнітної взаємодії. Фотони одночасно мають властивості хвилі і частинки, а отже, мають і масу. А на будь-яке тіло, що має масу, діє гравітація. Фотон, пролітає повз зірку - тіло з величезною масою, - потрапляє під дію її гравітаційного поля і, долаючи його, втрачає частину своєї енергії. Це позначається на частоті хвильових коливань фотона - вона знижується. Серед світових фотонів низьку частоту мають ті, які ми бачимо як червоне світло. Звідси червоний відтінок світла, що проходить повз зірки. Цей ефект названий гравітаційним зрушенням частоти фотонів.
Гравітаційна взаємодія досліджена досить добре, проте її вивчення триває. Зокрема, фізиків дуже цікавить питання про вплив гравітації на виникнення таких дивних космічних об`єктів, як чорні діри.
Сильні гравітаційні поля
У сильних гравітаційних полях, при русі з релятивістськими швидкостями, починають проявлятися ефекти загальної теорії відносності:

відхилення закону тяжіння від ньютоновского-
поява гравітаційних волн-
ефекти нелінейності-
зміна геометрії простору-часу-
виникнення чорних дір.

гравітаційне випромінювання
Одним з найважливіших прогнозів загальної теорії відносності є гравітаційне випромінювання, наявність якого до цих пір не підтверджено прямими спостереженнями. Гравітаційне випромінювання можуть генерувати тільки системи зі змінним квадрупольний або більш високими мультипольних моментами, цей факт говорить про те, що гравітаційне випромінювання більшості природних джерел спрямоване, що істотно ускладнює його відкриття. Потужність гравітаційного джерела пропорційна (v / c) 2 l + 2, якщо мультиполя має електричний тип, і (v / c) 2 l + 4 - якщо мультиполя магнітного типу, де v - характерна швидкість руху джерел в системі, випромінює, а з - швидкість світла. Таким чином, домінуючим моментом буде квадрупольний момент електричного типу, а потужність відповідного випромінювання дорівнює:



де Q i j - тензор квадрупольного моменту розподілу мас системи. Константа (1 / Вт) дозволяє оцінити порядок величини потужності випромінювання.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!