Wikia

Наука

Гравитация

Обсуждение5
14 935статей на этой вики
Gravitazionnie volni

Происхождение и эволюция гравитации (гравитационных волн). Рисунок

Гравита́ция (всемирное тяготение, тяготение) — фундаментальное взаимодействие в природе, которому подвержены все тела, имеющие массу. Главным образом, гравитация действует в масштабах космоса. Термин гравитация используется также как название раздела в физике, изучающего гравитационное взаимодействие.

Гравитационное взаимодействиеПравить

Wavy

Система из двух нейтронных звезд порождает среду — рябь пространства-времени

Гравитационное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики, гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя телами массы m_1 и m_2, разделённых расстоянием R есть
F =   G \cdot {m_1 \cdot m_2\over R^2}.

Здесь Gгравитационная постоянная, равная 6.673(10)\cdot 10^{-11} м3/(кг с2). Знак минус означает, что сила, действующая на тело, всегда противоположна по направлению радиус-вектору, направленному на тело, т. е. гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению любых тел.

Поле тяжести потенциально. Это значит, что можно ввести потенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, и эта энергия не изменится после перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность поля тяжести влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии и при изучении движения тел в поле тяжести часто существенно упрощает решение.

В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени.

Большие космические объекты -- планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и следовательно создают значительные гравитационные поля. Гравитация -- слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях и все массы положительны, это тем не менее очень важная сила во Вселенной. Для сравнения: полный электрический заряд этих тел ноль, так как вещество в целом электрически нейтрально. Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсально в действии на всю материю и энергию. Не существует объектов у которых вообще отсутствует гравитационный заряд. Из-за глобального характера, гравитация ответственна и за такие крупномасштабный эффект как структуру галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления как орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

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

Небесная механика и некоторые её задачиПравить

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

Наиболее простой задачей небесной механики является гравитационное взаимодействие двух тел в пустом пространстве. Эта задача решается аналитически до конца; результат её решения часто формулируют в виде трёх законов Кеплера.

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

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

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

Сильные гравитационные поляПравить

В сильных гравитационных полях, при движении с релятивистскими скоростями, начинают проявляться эффекты общей теории относительности:

  • отклонение закона тяготения от ньютоновского;
  • запаздывание потенциалов, связанное с конечной скоростью распространения гравитационных возмущений; появление гравитационных волн;
  • эффекты нелинейности: гравитационные волны имеют свойство взаимодействовать друг с другом, поэтому принцип суперпозиции волн в сильных полях уже не выполняется;
  • изменение геометрии пространства-времени;
  • возникновение черных дыр;

Гравитационное излучениеПравить

Одним из важных предсказаний ОТО является гравитационное излучение, наличие которого до сих пор не подтверждено прямыми наблюдениями. Однако, имеются косвенные наблюдательные свидетельства в пользу его существования, а именно: потери энергии в двойной системе с пульсаром PSR B1913+16 -- пульсаром Халса-Тейлора -- хорошо согласуются с моделью, в которой эта энергия уносится гравитационным излучением.

Гравитационное излучение могут генерировать только системы с переменным квадрупольным или более высокими мультипольными моментами, этот факт говорит о том, что гравитационное излучение большинства природных источников направленное, что существенно усложняет его обнаружение. Мощность гравитационного l-польного источника пропорциональна (v/c)^{2l + 2}, если мультиполь имеет электрический тип, и (v/c)^{2l + 4} -- если мультиполь магнитного типа [1], где v - характерная скорость движения источников в излучающей системе, а c -- скорость света. Таким образом, доминирующим моментом будет квадрупольный момент электрического типа, а мощность соответствующего излучения равна:

L = \frac{1}{5}\frac{G}{c^5}\langle \frac{d^3 Q_{ij}}{dt^3} \frac{d^3 Q^{ij}}{dt^3}\rangle

где Q_{ij} -- тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа \frac{G}{c^5} = 2,76 \times 10^{-53} Вт позволяет оценить порядок величины мощности излучения.

Начиная с 1969 года (эксперименты Вебера) и до настоящего времени (февраль 2007) предпринимаются попытки прямого обнаружения гравитационного излучения. В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных детекторов (LIGO, VIRGO, TAMA, GEO 600), а также проект космического гравитационного детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna -- лазерно-интерферометрическая космическая антенна). Наземный детектор в России разрабатывается в Научном Центре Гравитационно-Волновых Исследований "Дулкын" [2] республики Татарстан.

Тонкие эффекты гравитацииПравить

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

Среди них, в частности, можно назвать увлечение инерциальных систем отсчета (или эффект Лензе-Тирринга) и гравитомагнитное поле. В 2005 году автоматический аппарат НАСА Gravity Probe B провёл беспрецедентный по точности эксперимент по измерению этих эффектов вблизи Земли, но результаты пока не опубликованы.

Квантовая теория гравитацииПравить

Несмотря на полувековую историю попыток, гравитация — единственное из фундаментальных взаимодействий, для которого пока ещё не построена непротиворечивая перенормируемая квантовая теория. Впрочем, при низких энергиях, в духе квантовой теории поля, гравитационное взаимодействие можно представить как обмен гравитонами — калибровочными бозонами со спином 2.


Однако при высоких энергиях такое описание перестаёт работать, и сейчас даже неясно, как именно надо формулировать теорию в этом случае. Тем не менее, в настоящее время квантовая гравитация — одна из самых перспективных областей физики.

Современные теории гравитацииПравить

В связи с тем, что до сих пор не вскрыта внутренняя структура ни одного фундаментального поля, не измерены параметры переносчиков поля, возникает возможность описания гравитационного поля несколькими конкурирующими теориями. Все эти теории дают похожие результаты в рамках того приближения, в котором в настоящее время осуществляются экспериментальные тесты.

Общая теория относительностиПравить

В общей теории относительности (ОТО) гравитация является не силовым взаимодействием, а считается проявлением искривления пространства-времени. Таким образом, в ОТО гравитация интерпретируется как геометрический эффект, причём пространство-время рассматривается в рамках неевклидовой геометрии. Гравитационное поле, иногда называемое полем тяготения, в ОТО отождествляется с так называемым метрическим полем или метрикой. Стандартной задачей ОТО является определение компонент метрического тензора, в совокупности задающих метрику пространства-времени, по известному распределению источников энергии-импульса в рассматриваемой системе. В свою очередь знание метрики позволяет рассчитывать движение пробных частиц, что эквивалентно знанию свойств поля тяготения в данной системе. В связи с тензорным характером уравнений ОТО считается, что гравитация также носит тензорный характер. Следствием этого является то, что гравитационное излучение должно быть не ниже квадрупольного порядка. Известно, что в ОТО имеются затруднения с объяснением факта неинвариантности энергии гравитационного поля, поскольку данная энергия не описывается тензором. В классической ОТО также возникает проблема описания спин-орбитального взаимодействия.

Теория Эйнштейна-КартанаПравить

Теория Эйнштейна-Картана (ЭК) предлагается как дополнение для ОТО, необходимое для описания метрики с участием вращающихся объектов [1]. В теории ЭК вводится аффинное кручение, а вместо неэвклидовой геометрии для пространства-времени используется геометрия Римана-Картана. В результате от метрической теории переходят к аффинной теории пространства-времени. Результирующие уравнения для метрики содержат два уравнения. Одно из них аналогично ОТО, с тем отличием, что в тензор кривизны включены компоненты с аффинным кручением. Второе уравнение содержит тензор кручения и тензор спина материи и излучения. В масштабах Солнечной системы получаемые поправки к ОТО слишком малы для их измерения.

Релятивистская теория гравитацииПравить

Релятивистская теория гравитации (РТГ) разрабатывается академиком Логуновым А.А. с группой сотрудников. [3] В ряде работ они доказывают следующие отличия их теории от ОТО[4] :

  • гравитация есть не геометрическое поле, а реальное физическое силовое поле, описываемое тензором.
  • гравитационные явления следует рассматривать в рамках плоского пространства Минковского, в котором однозначно выполняются законы сохранения энергии-импульса и момента количества движения. Тогда движение тел в пространстве Минковского эквивалентно движению этих тел в эффективном римановом пространстве.
  • В тензорных уравнениях для определения метрики следует учитывать массу гравитона, а также использовать калибровочные условия, связанные с метрикой пространства Минковского. Это не позволяет уничтожить гравитационное поле даже локально выбором какой-то подходящей системы отсчёта.

Как и в ОТО, в РТГ под веществом понимаются все формы материи (включая и электромагнитное поле), за исключением самого гравитационного поля. Следствия из теории РТГ таковы: чёрных дыр как физических объектов, предсказываемых в ОТО, не существует; Вселенная плоская, однородная, изотропная, неподвижная и евклидовая.

C другой стороны, существуют не менее убедительные аргументы противников РТГ, сводящиеся к следующим положениям:

  • РТГ есть биметрическая теория, в случае безмассового гравитона эквивалентная так называемой полевой трактовке ОТО как надстройке над ненаблюдаемым пространством Минковского: "В релятивистской теории гравитации... фигурируют в точности те же лагранжианы..., которые приводят к уравнениям гравитационного поля"[5], "математическое содержание РТГ сводится к математическому содержанию ОТО (в полевой формулировке)" [6].
  • Дополнительные уравнения РТГ представляют собой всего лишь координатные условия: "Весь набор уравнений РТГ в терминах метрики искривленного пространства-времени можно свести к уравнениям Эйнштейна плюс гармоническое координатное условие, столь успешно использовавшееся Фоком" [6].
  • Вышеприведённые следствия из РТГ являются лишь следствием неточностей: несуществование чёрных дыр — следствием невозможности покрыть одним многообразием, эквивалентным пространству-времени Минковского, пространство-время сколлапсировавшего в чёрную дыру объекта; космологических предсказаний — следствием принятых координатных условий в сочетании с совершенно произвольным дополнительным допущением о вложенности световых конусов реального пространства в конусы пространства Минковского.

Лоренц-инвариантная теория гравитацииПравить

В наиболее полном виде лоренц-инвариантная теория гравитации (ЛИТГ) представлена в работах Сергея Федосина. Гравитация в ЛИТГ является фундаментальным физическим силовым полем, не требующим своего обоснования через ОТО. [7] Как и электромагнитное поле, гравитация считается близкодействующей, то есть поле обладает конечной скоростью своего распространения. [2] В результате запаздывания гравитационного сигнала с учётом движения источников поля, в рассмотрение вводится кручение, как аналог магнитной компоненты поля в электромагнетизме. В отличие от ОТО и РТГ, в ЛИТГ гравитационное поле является векторным, имеющим две компоненты (гравитационное ускорение и кручение), и потому становится допустимым дипольное гравитационное излучение от ускоряемых массивных тел. С точки зрения ЛИТГ, ОТО является необходимым для более точного описания явлений вследствие влияния энергии-импульса имеющихся полей на результаты пространственно-временных измерений. Но метрическое поле ОТО не может заменить собой реальное физическое поле гравитации. ЛИТГ наравне с РТГ однозначно определяет энергию гравитационного поля, в противоположность ОТО. Особенностью ЛИТГ является то, что уравнения гравитационного поля в ней линейные, тогда как в ОТО и РТГ уравнения нелинейны.

Следует заметить, что если двигаться из ОТО в сторону слабых гравитационных полей путём разложения уравнений до первого порядка, то как раз получаются уравнения ЛИТГ. Это показано, например в [8], а также в [9], когда искали эффект экранирования гравитационного поля в ОТО. Но согласно ЛИТГ должно быть обратное – первичными являются уравнения гравитационного поля, а в ОТО обязательно должен включаться тензор энергии-импульса гравитационного поля из ЛИТГ.

Теория Йордана-Бранса-Дикке Править

В скалярно-тензорных теориях, самой известной из которых является теория Йордана-Бранса-Дикке (или просто Бранса-Дикке), гравитационное поле как эффективная метрика пространства-времени определяется не только воздействием тензора энергии-импульса материи, как в ОТО, но и как результат действия некоторого скалярного поля [3]. Источником скалярного поля считается свёрнутый тензор энергии-импульса материи. Следовательно, скалярно-тензорные теории, как ОТО и РТГ, относятся к метрическим теориям, дающим объяснение гравитации только в терминах геометрии пространства-времени и его метрических свойств. Наличие скалярного поля приводит к двум тензорным уравнениям для метрики. Теория Йордана-Бранса-Дикке вследствие наличия скалярного поля может рассматриваться также как действующая в пятимерном многообразии, состоящем из пространства-времени и скалярного поля.[10]

Подобное имеет место и в РТГ, где второе тензорное уравнение появляется для учёта связи между неэвклидовым пространством и пространством Минковского. Благодаря наличию безразмерного подгоночного параметра в теории Йордана-Бранса-Дикке, появляется возможность выбрать его так, чтобы результаты теории совпадали с результатами гравитационных экспериментов.

См. также Править

СсылкиПравить

  1. См. аналогии между слабым гравитационным полем и электромагнитным полем в статье гравитомагнетизм
  2. http://dulkyn.org.ru/ru/about.html
  3. Логунов А.А., Мествиришвили М.А. Релятивистская теория гравитации. – М: Наука, 1989.
  4. Логунов А.А., Мествиришвили М.А. Тензор энергии-импульса материи как источник гравитационного поля. – Теоретическая и математическая физика, 1997, Т. 110, Вып. 1, Стр. 5 - 24.
  5. Зельдович Я. Б., Грищук Л. П. ТЯГОТЕНИЕ, ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТЕОРИИ. УФН, 1986, Т. 149, № 4, с. 695-707. С. 704.
  6. 6,0 6,1 Зельдович Я. Б., Грищук Л. П. Общая теория относительности верна! УФН, 1988, Т. 155, № 3, с. 517-527. С. 521, 524.
  7. Федосин Сергей. Физика и философия подобия от преонов до метагалактик, Пермь: Стиль-МГ, 1999, ISBN 5-8131-0012-1. (544 стр., Табл.66, Ил.93, Библ. 377 назв.).
  8. M. Agop, C. Gh. Buzea and B. Ciobanu. On Gravitational Shielding in Electromagnetic Fields. arXiv:[physics/9911011] V.1, 10 Nov 1999.
  9. R.P. Lano. Gravitational Meissner Effect. arXiv:hep-th/9603077 v1 12 Mar 1996.
  10. Brans, C. H.; Dicke, R. H. (November 1 1961). "Mach's Principle and a Relativistic Theory of Gravitation". Physical Review 124 (3): 925–935. DOI:10.1103/PhysRev.124.925. Retrieved on 2006-09-23.

См. также Править

 п·о·р 
Гравитация
Теории гравитации
Стандартные Альтернативные ОТО Теории всеобщего объединения Другие


  • Релятивистская теория гравитации
  • Лоренц-инвариантная теория гравитации [8]
  • Классические теории гравитации [9] [S]
  • Конформная гравитация [10] [S]
  • Скалярные теории [11]
    • Теория Нордстрема [12]
    • Теория Илмаза [13]
  • Скалярно-тензорные теории [14] [S]
    • Теория Йордана-Бранса-Дике [15]
    • Космология самотворения массы [16]
  • Теории с двумя метриками [17] [S]
  • Другие альтернативы
    • Теория Эйнштейна-Картана [18]
      • Связности Картана [19]
    • Теория гравитации Вайтхеда [20] [S]
    • Несимметричные теории гравитации [21] [S]
    • Скаляр-тензор-векторная гравитация [22] [S]
    • Тензор-вектор-скалярная гравитация [23] [S]
  • Телепараллелизм [24]
  • Геометродинамика [25]
  • Квантовая гравитация [26]
    • Полуклассическая гравитация [27]
    • Дискретная лоренцевская квантовая гравитация [28] [S]
    • Евклидовая квантовая гравитация [29] [S]
    • Индуцированная гравитация [30] [S]
    • Контурная квантовая гравитация [31]
    • Условие Уиллера-де Витта [32]
  • Теории всего [33]
    • Супергравитация [34]
    • М-теория [35]
    • Теория суперструн [36]
    • Теория струн [37]
      • Разделы теории струн [38]
  • ОТО, модифицированная дополнительными размерностями [39]
    • Теория Калуцы-Клейна [40]
    • Модель гравитации DGP [41] [S]


  • Альтернативы теории Ньютона
    • Гравитация по Аристотелю [42]
    • Гравитация Ле-Сажа [43]
    • Модифицированная ньютоновская динамика [44]


  • Теории без классификации
    • Составная гравитация [45] [S]
    • Гравитация с массивными частицами [46] [S]

[S] обозначены теории, сущность или описания которых требуют доработки


Разделы науки физики
Основные разделы Механика  · Термодинамика и Молекулярная физика · Электричество и Магнетизм  ·

Колебания и Волны · Квантовая физика  · Ядерная физика, Атомная физика и Физика элементарных частиц

Механика  · Классическая механика  · Специальная теория относительности · Релятивистская механика  · Квантовая механика
Термодинамика и молекулярная физика Физика плазмы  · Физика конденсированного состояния
Электродинамика Оптика
Колебания и волны Оптика  · Акустика · Радиофизика · Теория колебаний
Связь с другими науками Химическая физика  · Физическая химия  · Математическая физика · Астрофизика · Геофизика  · Биофизика  · Физика атмосферы  · Метрология  · Материаловедение
Другие разделы Космология  · Статистическая физика  · Физическая кинетика  · Квантовая теория поля  · Нелинейная динамика
Экспериментальная физика  · Теоретическая физика




  • Страница 0 - энциклопедическая статья
  • Разное - на страницах: 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5

Викия-сеть

Случайная вики