Гравитация

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.

Содержание

Гравитационное взаимодействие

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 m1 и m2, 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.

Небесная механика и некоторые её задачи

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 поля

В сильных гравитационных полях (а также при движении с околосветовыми скоростями) начинают проявляться эффекты общей теории относительности:

  • запаздывание потенциалов, связанное с конечной скоростью перемещения гравитационных возмущений
  • отклонение закона тяготения от ньютоновского
  • ряд новых эффектов, связанных с замедлением времени в поле тяжести
  • ряд новых эффектов, связанных с тем, что гравитационное поле описывается уже не скалярным потенциалом, а тензором. Это, в частности, приводит к зависимости гравитационного поля от вращения тела, к прецессии волчка в гравитационном поле, к спин-спиновому взаимодействию и т. д.

Гравитационное излучение

Одним из важных предсказаний ОТО является гравитационное излучение, наличие которого до сих пор не подтверждено экспериментально. В настоящее время (апрель 2006) существуют проекты создания космических детекторов гравитационного излучения. Гравитационное излучение является квадрупольным, это означает, например, что энергия излучения двух взаимно обращающихся тел убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника только в направлении оси вращения. В плоскости же вращения энергия гравитационных волн убывает обратно пропорционально четвёртой степени расстояния. Этот факт говорит о том, что гравитационное излучение большинства природных источников направленное, что существенно усложняет его обнаружение.

Тонкие эффекты гравитации

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, и до последнего времени преодоление этих трудностей представлялось за пределами возможностей экспериментаторов.

Среди них, в частности, можно назвать гравитомагнитное поле и фреймдраггинг (вращательный, скоростной и ускорительный).

В 2005 году автоматический аппарат НАСА Gravity Probe B провёл измерение гравитомагнитного поля Земли и вращательного фреймдраггинга (также называемого эффектом Лензе-Тирринга). Результаты этих измерений пока не опубликованы.

Происхождение этих эффектов в теории связано с недиагональными компонентами метрического тензора пространства-времени.

Наличие таких компонент в теории означает, что гравитация является гораздо более сложным взаимодействием, чем электромагнетизм, и освоение возможностей управления гравитацией сулит захватывающие перспективы. В последнее время многие связывают возможности управления гравитацией с развитием техники сверхтекучести.

Квантовая теория гравитации

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.

См. также


Разделы физики
Механика | Специальная теория относительности | Общая теория относительности | Молекулярная физика | Термодинамика | Статистическая физика | Физическая кинетика | Электродинамика | Оптика | Акустика | Физика плазмы | Физика конденсированных сред | Атомная физика | Квантовая физика | Квантовая механика | Квантовая теория поля | Ядерная физика | Физика элементарных частиц | Теории «великого объединения» | Теория колебаний | Теория волн | Нелинейная динамика | Метрология | Астрофизика | Геофизика | Биофизика
 
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home