гравітаційна взаємодія

гравітаційна взаємодія

Гравітаційна взаємодія помітно лише між тілами астрономічних масштабів. Слабка взаємодія здійснюється за взаимопревращении певних сортів частинок. При видаленні часток один від одного воно несуттєво. І лише електромагнітні взаємодії виявляються в тих просторових масштабах, в яких здійснена наше повсякденне життя Практично всі сили, що зумовлюють фізичні явища в нашому повсякденному оточенні, за винятком сили тяжіння, є в кінцевому рахунку електромагнітними. Звичайно, все різноманітні зв’язки і явища, обумовлені електромагнітними взаємодіями, не можуть бути описані законами електродинаміки, оскільки на кожному рівні явища існують свої специфічні риси і закономірності, що не зводяться до закономірностей іншого рівня. Однак електромагнітні взаємодії на всіх рівнях є в певному сенсі елементарної зв’язком, за допомогою якої утворюється вся ланцюг зв’язків. Цим визначається практичне значення електромагнітних явищ. [1]

Гравітаційна взаємодія є універсальним. [2]

Гравітаційна взаємодія має ще одну, вкрай важливим, відмітною властивістю — воно універсально. Для кожного з решти, перерахованих вище взаємодій існують нейтральні частинки, тоді як всі об’єкти, що існують у природі (включаючи і поля), породжують гравітаційне поле. [3]

Гравітаційна взаємодія обумовлено обміном гравітонами. [4]

Гравітаційна взаємодія — взаємне притягання всіх тіл природи, яке не залежить від властивостей проміжної середовища; широко відомим прикладом є тяжіння тел Землею. [5]

Гравітаційна взаємодія здійснюється через гравітаційне поле. Будь-яке тіло втрачає нормальний стан навколишнього його простору — створює в ньому гравітаційне поле. Це поле проявляє себе в тому, що поміщене в нього інше тіло опиняється під дією сили. Про інтенсивність гравітаційного поля, очевидно, можна судити за величиною сили, що діє в даній точці на тіло з масою, що дорівнює одиниці. [6]

Гравітаційна взаємодія. є найслабшим з усіх, пов’язує воєдино частини земної кулі, об’єднує Сонце і планети в Сонячній системі і пов’язує зірки в галактиках. Ця взаємодія визначає великомасштабні події Всесвіту. Електромагнітна взаємодія утримує електрони в атомах і пов’язує атоми в молекулах і кристалах. Ця взаємодія відіграє велику роль в хімічних і біологічних процесах. [7]

Гравітаційна взаємодія здійснюється за допомогою гравітаційного поля. Будь-яке тіло втрачає нормальний стан навколишнього його простору — створює в ньому гравітаційне поле. Це поле проявляє себе в тому, що на вміщене в нього інше тіло діє сила. [8]

Гравітаційна взаємодія між елементарними частинками мізерно мало. [9]

Гравітаційна взаємодія є універсальним, йому піддаються всі без винятку елементарні частинки. Однак в процесах мікросвіту гравітаційна взаємодія відчутною ролі не грає. [10]

Гравітаційна взаємодія — найслабша з усіх чотирьох. Воно пропорційно добутку мас взаємодіючих тіл і в світі частинок, внаслідок малості їх мас, не веде до експериментально спостережуваних явищ, хоча в гравітаційній взаємодії беруть участь всі частинки. Ця взаємодія є дальнодействием, як і електромагнітне. Однак електричні заряди, що визначають електромагнітну взаємодію, мають два знака (і -), між зарядами можуть діяти як сили тяжіння, так і сили відштовхування, і в макросвіті вони в середньому врівноважуються. Маси часток (або тел), на відміну від електричних зарядів, мають лише один знак, дія всіх частинок макроскопічного тіла в гравітаційній взаємодії підсумовується, і в макросвіті, як ми знаємо, тяжіння грає дуже важливу роль. [11]

Гравітаційна взаємодія модель не розглядає, оскільки його вплив в процесах фізики частинок дуже малий. [12]

Гравітаційна взаємодія здійснюється за допомогою гравітаційного поля. Будь-яке тіло втрачає нормальний стан навколишнього його простору — створює в ньому гравітаційне поле. Це поле проявляє себе в тому, що на вміщене в нього інше тіло діє сила. [13]

Гравітаційна взаємодія описується законом всесвітнього тяжіння, відкритим Ньютоном. [14]

Гравітаційна взаємодія між тілами здійснюється за допомогою гравітаційного поля, що породжується тілами і що є однією з форм існування матерії. [15]

Сторінки: 9ensp; 9ensp; 1 9ensp; 9ensp; 2 9ensp; 9ensp; 3 9ensp; 9ensp; 4

Поділитися посиланням:

гравітаційна взаємодія

Гравітаційна взаємодія — це універсальне взаємодія між будь-якими видами матерії. Це означає, що воно здійснюється і між частинками речовини, і між фізичними полями. Гравітаційна взаємодія — це завжди тяжіння. У ньому беруть участь всі класи елементарних частинок. З усіх фундаментальних взаємодій воно є найслабшим, і в сучасній теорії елементарних частинок зазвичай не враховується.

Гравітаційна взаємодія — дальнодействием. Це означає, що його радіус дії дорівнює нескінченності.

Якщо поле тяжіння досить слабке і тіла рухаються повільно, в порівнянні зі швидкістю світла, то справедливий закон всесвітнього тяжіння Ньютона. Згідно з цим законом, дві матеріальні точки (під матеріальними точками в даному випадку можна розуміти будь-які тіла, лінійні розміри яких багато менше відстані між ними) притягуються з силою:

де g — гравітаційна стала, вперше визначена експериментально в 1798 р Г. Кавендіш. За сучасними даними g = 6,67 * 10 -11 Н × м 2 / кг 2.

m1, m2 — маси тіл;

r — відстань між матеріальними точками.

Важливо відзначити, що в законі всесвітнього тяжіння маса виступає в якості заходи гравітації. тобто визначає силу тяжіння між матеріальними тілами.

Важливість закону всесвітнього тяжіння полягає в тому, що Ньютон, таким чином, динамічно обгрунтував систему Коперника і закони Кеплера.

Слід звернути увагу на важливий факт, який свідчить про глибоку інтуїції Ньютона. Фактично Ньютон встановив пропорційність між масою і вагою. що означало, що маса є не тільки мірою інертності, але мірою гравітації. Ньютон відмінно розумів важливість цього факту. У своїх дослідах він встановив, що маса інертна і маса гравітаційна збігаються з точністю до 10 -3. Згодом А. Ейнштейн, вважаючи рівність інерційної і гравітаційної мас фундаментальним законом природи. поклав його в основу загальної теорії відносності, або ОТО. (Цікаво, що в період створення ОТО це рівність було доведено з точністю до 5 × 10 -9. А в даний час воно доведено з точністю до 10 -12-.)

У третій частині книги Ньютон виклав Загальну Систему Миру і небесної механіки, зокрема, теорію стиснення Землі біля полюсів, теорію припливів і відливів, руху комет, збурення в русі планет і т.д. на основі закону всесвітнього тяжіння.

Затвердження Ньютона про те, що Земля стиснута біля полюсів, було експериментально доведено в 1735-1744 рр. в результаті вимірювання дуги земного меридіана в екваторіальній зоні (Перу) і на півночі (Лапландія) двома експедиціями Паризької Академії наук.

Наступним великим успіхом закону всесвітнього тяжіння було пророкування вченим Клеро часу повернення комети Галлея. У 1682 р Галлей відкрив нову комету і передбачив її повернення в сферу земного спостереження через 76 років. Однак в 1758 р комета не з`явилася, і Клеро зробив новий розрахунок часу її появи на основі закону всесвітнього тяжіння з урахуванням впливу Юпітера і Сатурна. Назвавши час її появи — 4 квітня 1759 р Клеро помилився всього на 19 днів.

(Успіхи теорії тяжіння в рішенні проблем небесної механіки тривали і в 19 столітті. Так в 1846 р французький астроном Леверье писав своєму німецькому колезі Галле: «направте ваш телескоп на точку екліптики в сузір’ї Водолія на довготі 326 градусів, і ви знайдете в межах одного градуса від цього місця нову планету з помітним диском, що має вигляд зірки приблизно дев’ятої величини.» Ця точка була обчислена Леверье і незалежно від нього Адамсом (Англія) на основі закону всесвітнього тяжіння при аналізі можна побачити «неправильностей» в русі Урана і припущення, що викликаються вони впливом невідомої планети. І дійсно, 23 вересня 1846 Галле в зазначеній точці неба виявив нову планету. Так народилися слова «Планета Нептун відкрита на кінчику пера».)

У загальному випадку, який включає сильні поля тяжіння і високі швидкості руху, які можна порівняти зі швидкістю світла, тяжіння описується загальною теорією відносності (ЗТВ). ОТО є узагальненням ньютонівської теорії тяжіння на основі спеціальної теорія відносності (СТО).

Теорія Ейнштейна описує тяжіння як вплив фізичної матерії на властивості чотиривимірного простору-часу. Воно, в свою чергу, впливає на рух матерії і інші фізичні процеси. Так, ОТО встановлено, що матерія викривляє простір-час. І це викривлення, що проявляється як тяжіння, впливає на рух матерії. У такому просторі-часі рух тіл по інерції, тобто при відсутності зовнішніх сил, відбувається вже не за прямим, а по викривленим лініях (геодезичним лініях) і зі змінною швидкістю. Геометрія звичайного тривимірного простору виявляється неевклідової (вона описується геометрією Рімана).

Ейнштейнівська теорія тяжіння призводить, в порівнянні з ньютонівської, до якісно нових ефектів:

а) для існування гравітаційних хвиль, що випускаються нерівномірно рухомими тілами;

б) до гравітаційного зміни довжини хвилі світла в сильному полі тяжіння;

в) до можливості виникнення «чорних дірок». «Чорна діра» — це об’єкт, що виникає в результаті сильного стиснення тіла, при якому гравітаційне поле зростає настільки, що тіло не випускає ні світло, ні будь-яка інша випромінювання або частки. Для освіти «чорної діри» необхідно, щоб тіло стислося до розмірів, менших так званого гравітаційного радіуса.

Він визначається масою М і дорівнює

де g = 6,7 · 10-8см3г-1 сек-2-гравітаційна стала;

з — швидкість світла.

Для звичайних астрофізичних об’єктів r грн- дуже малий у порівнянні з їх дійсними розмірами. Так, для Землі r гр »0,9 см, для Сонця — близько 3 км.

За сучасними уявленнями, «чорна діра» може утворитися в кінці еволюція масивної наднової зірки.

Необхідно відзначити, що багато уявлень ОТО з хорошою точністю підтверджуються експериментально.

Гравітаційне поле повинно підкорятися квантовим законам, як і всі інші фізичні поля. Квантова теорія гравітації не завершена. Але в ній гравітаційні хвилі розглядаються як потік квантів — Гравітон. Гравітон є електрично нейтральні частинки з нульовою масою спокою. У переважній більшості мислимих процесів у велінням квантові ефекти гравітація надзвичайно слабкі. Але поблизу особливих точок, де викривлення простору-часу дуже велике, квантові ефекти повинні бути істотними. ОТО пророкує, що квантові ефекти гравітації повинні бути визначальними, коли радіус кривизни простору-часу стає рівним величині

відстаньr пл- називають планковской довжиною. В таких умовах ОТО непридатна.

Вважається, що труднощі в побудові теорії елементарних частинок можуть бути усунені з урахуванням гравітаційної взаємодії на дуже малих відстанях — порядку 10-33 см. На таких відстанях буде позначатися зміна геометрії простору-часу за рахунок гравітації. Є припущення, що Планка довжина — це гіпотетична універсальна постійна розмірності довжини, що визначає межі застосовності фундаментальних фізичних уявлень теорії відносності, квантової теорії, принципу причинності.

5.189.137.82 © studopedia.ru Чи не є автором матеріалів, які розміщені. Але надає можливість безкоштовного використання. Є порушення авторського права? Напишіть нам.

Гравітаційні ВЗАЄМОДІЯ

Це найслабше з усіх взаємодій. У макросвіті воно проявляє себе тим сильніше, чим більше маси взаємодіючих тіл, а в мікросвіті воно втрачається на тлі куди більш могутніх сил. Так, сила електростатичного відштовхування

електронів в 10 40 раз більше сили їх гравітаційного тяжіння. І тільки при екстремально високої щільності речовини, що дорівнює 10 94 г / см 3 (Планка щільність), гравітаційні взаємодії в мікросвіті порівнюються за своєю значимістю з іншими панівними там силами.

У класичній фізиці така взаємодія описується відомим законом тяжіння Ньютона. Гравітаційні взаємодії обумовлюють утворення всіх космічних систем, а також концентрацію розсіяною в ході еволюції зірок і галактик матерії і включення її в нові цикли розвитку. Швидкість поширення гравітаційних хвиль вважається рівною швидкості світла у вакуумі, але достовірно гравітаційні хвилі ще не зареєстровані вимірювальними пристроями.

В рамках польових уявлень гравітаційний заряд, згідно з Ейнштейном, еквівалентний інертною масі речовини. Створюване їм поле тяжіння повинно мати свою бозона частку. Таку гіпотетичну частку назвали Гравітоном. Експериментально вона поки не знайдена.

Рух масивного тіла під дією реальної сили повинно викликати обурення свого ж гравітаційного поля, що поширюється зі швидкістю світла у формі гравітаційної хвилі. Через незначною малості гравітаційної сили хвиля має малу амплітуду. Навіть такі грандіозні космічні події, як вибух наднової або колапс масивної зірки, створюють гравітаційні хвилі, за оцінками лежать за межами чутливості сучасних реєструючих приладів. Проте американським фізикам Р. Хялсі і Дж. Тейлору вдалося побічно підтвердити існування гравітаційних хвиль, за що в 1993 р вони отримали Нобелівську премію.

Для гравітації не існує протилежної еквівалентної сили відштовхування (антигравітації), все античастинки мають позитивними значеннями маси і енергії.

Отже, з точки зору квантової теорії гравітації, поле тяжіння піддається квантованию, квантами цього поля є Гравітон. Сили тяжіння є результатом постійного обміну між тілами гравітонами або гравітаційними хвилями. Вони переносять енергію, мають просторово-часовими властивостями, імпульсом і іншими характеристиками, властивими матеріальним об’єктам. Але в загальній теорії відносності існує і протилежна розуміння гравітації — як прояви кривизни просторово-часового континууму, тим самим гравітація зводиться до метричних особливостей простору-часу. Поле тяжіння створює викривлення простору, тим більше, чим більше тяжіє маса.

яка з цих теорійвірна або хоча б ближче до істини, покаже майбутнє.

Цей вид взаємодії також володіє універсальним характером і існує між будь-якими тілами, але, на відміну від гравітаційної взаємодії, яке завжди виступає у вигляді тяжіння, електромагнітне взаємодія може проявлятися і як тяжіння (між різнойменними зарядами), і як відштовхування (між однаковими зарядами).

Завдяки електромагнітним зв’язків виникають атоми, молекули і макроскопічні тіла. Всі хімічні реакції являють собою прояв електромагнітних взаємодій, є результатами перерозподілу зв’язків між атомами в молекулах, перебудови електронних оболонок атомів і молекул, а також кількості та складу атомів в молекулах різних речовин. Вивченням цих процесів займається хімія.

На зорі розвитку науки про електрику електричні і магнітні компоненти цієї взаємодії розглядалися як незалежні, не пов’язані між собою родинними зв’язками. Максвелл довів, що обидві сили — це прояв одного і того ж феномена. Так в науці вперше було показано, що за зовнішнім відмінністю природних сил може ховатися їх глибока спільність. Електродинаміка Максвелла стала закінченою класичною теорією електромагнетизму, що зберігає своє значення і в наші дні.

Сучасна фізика створила більш досконалу і точну теорію електромагнетизму, в якій враховані і квантово-польові аспекти явища. Ця теорія названа квантової електродинаміки. Так само як фізики невідома причина існування маси, так само їй невідома і природа електромагнітного заряду. Тому теорія починається з постулирования існування цього заряду. Заряд створює поле, квантом якого служить безмассовий бозон — фотон зі спіном, рівним 1. Електричний заряд проявляється в двох різновидах:

заряд, властивий електрону, названий негативним; заряд, властивий протону і позитронів, названий позитивним. Взаємодія зарядів забезпечується обміном віртуальних фотонів. У разі різнойменних зарядів обмін створює ефект тяжіння, а в разі однойменних — відштовхування. У всіх процесах за участю електромагнітних зарядів виконується закон збереження заряду, імпульсу, енергії та ін.

Це третє фундаментальне взаємодія, що існує лише в мікросвіті. Він відповідальний за перетворення одних частинок-ферміонів в інші, при цьому колір слабо взаємодіючих пептонов і кварків не змінюється.

Типовий приклад слабкої взаємодії — процес бета-розпаду, в ході якого вільний нейтрон в середньому за 15 хвилин розпадається на протон, електрон і електронне антинейтрино. Розпад викликається перетворенням всередині нейтрона кварка аромату d в кварк аромату u. Вилітає електрон забезпечує збереження сумарного електричного заряду, а антинейтрино дозволяє зберегти сумарний механічний імпульс системи.

Описувані нами польові уявлення про слабку взаємодію виглядають наступним чином. Постулюється існування фундаментального слабкого заряду, властивого деяким частинкам з класу пептонов і кварків, але не всім. Слабкий заряд утворює три різновиди поля з трьома обмінними бозона частинками, що мають значну масу. Слабка взаємодія переноситься векторними бозона і має дуже малий

радіус дії близько 10 -15 см.

Спочатку створена теорія слабкої взаємодії виявилася недосконалою. Виникли підозри, що проблеми теорії вдасться подолати, якщо допустити, що слабке і електромагнітне взаємодії — це різні прояви одного взаємодії на зразок того, як електрика і магнетизм — два прояви єдиної сутності. Цю ідею в 60-х роках втілили в теорію С. Вайнберг і А. Салам. Теорія єдиного електрослабкої взаємодії дозволила вирішити головні проблеми, пов’язані зі слабкою взаємодією.

Ця теорія виходить з існування єдиного фундаментального заряду, що відповідає одночасно і за слабке, і за електромагнітне взаємодії. При дуже високих температурах (енергіях) структура вакууму порушується і не може перешкодити прояву такого заряду. Тоді слабке і електромагнітне взаємодії зливаються воєдино, а заряд породжує загальне поле, квантом якого служить безмасові бозон частка з нескінченним радіусом дії. При зниженні температури настає критичний момент, після якого вакуум переходить в іншу, більш упорядковану модифікацію, що змінює характер його взаємодії з електрослабкої зарядом. В результаті заряд розпадається на дві частини, одна з яких постає як електромагнітний заряд, а інша — як слабкий заряд. Безмасові бозон частка розпадається на чотири складових. Виділяється бозон електромагнітного впливу, він залишається безмассовой часткою — фотоном. А трьох полях слабкого заряду відповідають три важких бозона, які отримали свої маси в результаті взаємодії зі структурою модифікованого вакууму.

Ця теорія тягне ряд наслідків, які допускають експериментальну перевірку. Так, вона передбачила значення мас векторних бозонів, які були підтверджені в ході експерименту на прискорювачі. Керівникам цього експерименту було присуджено Нобелівську премію в 1984 р

Основна функція сильної взаємодії — з’єднувати кварки і антикварки в адрони. Теорія сильних взаємодій знаходиться в процесі створення. Вона є типовою польовий теорією і названа квантової хромодинаміки. Вихідним положенням її служить постулат про існування трьох типів колірних зарядів (червоний, синій, зелений), що виражають властиву речовині здатність до об’єднання кварків в сильній взаємодії. Кожен з кварків містить деяку комбінацію таких зарядів, але при цьому повною їх взаємокомпенсації не відбувається, і кварк має результуючим кольором, тобто зберігає здатність до сильного взаємодії з іншими кварками. Але коли три кварка або кварк і антикварк об’єднуються в Адрон, сумарна комбінація колірних зарядів в ньому така, що Адрон в цілому володіє колірним нейтральністю.

Кольорові заряди створюють поля з властивими їм квантами -бозонамі. Обмін віртуальними колірними бозонами між кварками і (або) антикварки служить матеріальною основою сильної взаємодії. Заряди створюють 8 полів з відповідними вісьмома бозона частинками, названими глюонами. Їм приписують екзотичні властивості: вони безмасові, ніж схожі з фотоном і Гравітоном, але шість з восьми глюонів мають колірні заряди, як і ті ферміони, для яких вони служать переносниками взаємодії. Жоден інший бозон, який фігурує в польових теоріях, не є носієм заряду, і раніше вважалося, що мати заряд-це привілей фермионов. Безмасові глюони, на відміну від фотонів і Гравітон, мають обмежений радіус дії -10 -13 см, а властивий їм колірної заряд провокує сильне обурення вакууму, оскільки некомпенсований колірної заряд викликає активне виділення в вакуумі хмари віртуальних глюонів і кварк-антикваркових пар, що компенсують внесене колірним зарядом обурення. Утворюється при цьому просторовий розподіл колірного заряду зменшує силу взаємодії між кварками при їх зближенні. На дуже близьких відстанях вакуумна компенсація колірних зарядів призводить до того, що кварки перестають впливати один на одного і поводяться як вільні частки. Зі збільшенням відстані між кварками сила взаємодії наростає. Для поділу двох частинок з колірними зарядами знадобилася б нескінченно велика енергія. Але як тільки вводиться енергія перевищить певний рівень, вакуум виділяє вже не віртуальні, а реальні кварки-антикварки, які з’єднуються з первинними частинками і утворюють потік адронів, що і спостерігається в експериментах на прискорювачах. Сильна взаємодія при будь-яких обставинах зберігає безбарвність частинок.

До відкриття кварків і колірного взаємодії фундаментальним вважали ядерна взаємодія, що об’єднує протони і нейтрони в ядрах атомів. З відкриттям кваркового рівня речовини під сильним взаємодією стали розуміти колірні взаємодії між кварками, що об’єднуються в адрони. Ядерні сили перестали вважатися фундаментальними, вони повинні якось висловлюватися через кольорові сили. Але це не просто зробити, адже баріони (протони і нейтрони), складові ядра, в цілому цветонейтральни. За аналогією можна згадати, що і атоми в цілому електрично нейтральні, але на молекулярному рівні проявляються хімічні сили, що розглядаються як відгомони електричних атомних сил.

Теорія передбачає, що при зближенні баріонів на відстань меншу, ніж 10 -13 см, вони втрачають свої індивідуальні особливості, глюони обмін між кварками, що утримує їх в адронів, приймає колективний характер, пов’язуючи кварки всіх баріонів в єдину систему, в атомне ядро. Переміщення одного з кварків в сторону іншого кварка порушує локальну нейтральність колірного заряду, вакуум реагує на це народженням віртуальної кварк-антикваркових пари. Кварк цієї пари заміщає «порушника» на його законному місці, а антікварк разом з втікачем утворює віртуальний півонія (пі-мезон), що приймається за обмінну частку ядерного взаємодії. Наскільки така картина прийнятна для пояснення природи ядерних сил, покаже майбутнє. Поки ж немає сумнівів, що ядерні сили — це тільки відгомони колірних сил.

Розглянуті чотири типи фундаментальних взаємодій лежать в основі всіх інших відомих форм руху матерії, в тому числі що виникли на вищих щаблях розвитку. Будь-які складні форми руху при їх розкладанні на структурні складові виявляються як складні модифікації вказаних фундаментальних взаємодій.

infopedia.su не належать авторські права, розміщених матеріалів. Всі права належати їх авторам. У разі порушення авторського права напишіть сюди.

Слабка взаємодія.

Слабка взаємодія — одне з чотирьох фундаментальних взаємодій. На існування такої взаємодії вказували виявлена ​​нестабільність нейтрона і деяких атомних ядер. Воно слабкіше сильного і електромагнітного, але сильніше гравітаційного. Але в повсякденному житті роль гравітаційної взаємодії багато більше слабкого. Це пов’язано з радіусом дії. У гравітаційної взаємодії rвз

∞. Тому на тіла знаходяться на поверхні Землі, діє гравітаційне тяжіння з боку всіх атомів Землі. Радіус слабкої взаємодії дуже малий, і передбачається

10 -16 см. (На три порядки менше сильного). Але, не дивлячись на це слабка взаємодія відіграє важливу роль в природі. Якби вдалося «вимкнути» слабку взаємодію, то Сонце згасло б, так як був би неможливий процес перетворення протона в нейтрон, позитрон і нейтрино:

p →n+e++ ν. в результаті якого, чотири протона перетворюються в гелій. Саме цей процес служить джерелом енергії Сонця та інших зірок. Процеси слабкої взаємодії з випусканням нейтрино особливо важливі в еволюції зірок. Якби не було слабких взаємодій, були б стабільні і широко поширені в звичайному речовині мюони, пімезони, дивні і зачаровані частинки, які розпадаються в результаті сильних взаємодій. Велика роль слабких взаємодій пов’язано з тим що воно не підкоряється ряду заборон, характерних для сильного і електромагнітної взаємодії. Зокрема, воно не підкоряється закону збереження парності.

Найбільш поширений процес, обумовлений слабкою взаємодією — β — розпад радіоактивних ядер. В результаті цього процесу в ядрі народжується електрон і нейтрино. Початком дослідження слабких взаємодій є відкриття А. Беккерелем в 1896 р природної радіоактивності, тобто мимовільно розпаду ядер урану, що супроводжується випромінюванням. Аналіз цього випромінювання показав, що воно складається з трьох видів одне з яких назвали β — випромінюванням, які опинилися в наслідку потоком електронів. Дослідження особливостей β — випромінювання, викид з ядер не існують там електронів, безперервний характер їх енергетичного спектру, утруднення з виконанням закону збереження спина привели до уявлення про існування особливого виду фундаментального взаємодії, що не зводиться до відомих взаємодій. Ця взаємодія назвали слабким.

У сучасній фізиці передбачається, що всі відомі типи взаємодій являють собою явища однієї природи і повинні описуватися єдиним чином. (Велике об’єднання, Супер об’єднання). До теперішнього часу розроблена єдина теорія слабких і електромагнітних взаємодій. [10, с 692, 11, з 741]

Гравітаційна взаємодія.

Тяжіння, гравітація, гравітаційна взаємодія — універсальне взаємодія між будь-якими видами матерії. Сформульований Ньютоном закон всесвітнього тяжіння справедливий, якщо взаємодія відносно слабке і тіла рухаються зі швидкостями багато менше швидкості світла. У загальному випадку гравітація описується загальною теорією відносності Ейнштейна як вплив матерії на властивості чотиривимірного простору — часу. Ці властивості простору — часу свою чергу впливають на рух тіл і інші фізичні процеси. Цим гравітація різко відрізняється від інших фундаментальних взаємодій. Але сучасна фізика вважає за можливе, що при дуже високих енергіях всі види об’єднуються в єдине взаємодія [10, с 136, з 772. 11, з 668].

Гіпотеза про гравітації як загальне властивість тел з’явилася в античності і відродилася в XVI і XVII століттях в Європі. Наприклад, І. Кеплер стверджував, що «тягар є взаємне прагнення всіх тіл». Остаточно 1678 р І. Ньютон в своїй праці «Математичні початки натуральної філософії» дав математичну формулювання закону всесвітнього тяжіння. У такому формулюванні закон застосуємо за умови, що тіла можна приймати за матеріальні точки. Чисельне значення гравітаційної постійної в 1798 р визначив Г.Кавендиш:G = 6.6745 (8) * 10-11м3з-2кг-1. Взаємодія декількох тіл, за умови матеріальних точок визначається принципом суперпозиції сил. За таким же принципом можна визначити силу взаємодії тел кінцевих розмірів, якщо попередньо розбити їх на частини, які можна вважати за матеріальні точки. Відповідно до формули гравітаційна взаємодія (1) сила тяжіння залежить тільки від положення частинок в даний момент часу. Це відповідає умові, що взаємодія поширюється миттєво. З урахуванням кінцевої, але досить високій швидкості поширення взаємодій, яка затверджується сучасною фізикою, формула (1) може застосовуватися прі не високих швидкостях руху і для тел знаходяться на невеликих відстанях. Така ситуація має місце для тіл Сонячної системи.

За сучасними уявленнями гравітаційна взаємодія здійснюється через гравітаційні поля, існуючі навколо матеріальних тел. Характеристикою такого поля є напруженість гравітаційна взаємодія.

Тоді силу тяжіння можна записати:

гравітаційна взаємодія

Поле тяжіння — потенційне. g= — grad φ. Знак мінус означає, що напрямок вектора напруженості поля протилежно напрямку зростання потенціалу. Якщо ізольоване тіло сферически симетрично і якщо ρ = 0 при r > R, то φ = φ (r), і потенціал поля тяжіння матеріальної точки гравітаційна взаємодія. Якщо задано розподіл щільності в просторі, тобто, функція ρ = ρ (r). то потенціал поля можна визначити, інтегруючи рівняння Пуассона Δφ = 4 π G ρ. Цим пояснюється наближення матеріальних точок в небесній механіці, де зазвичай мають справу зі сферичними тілами, що знаходяться далеко один від одного. Точне рішення рівняння Пуассона з урахуванням реального несиметричного розподілу мас, використовується, наприклад, при вивченні будови Землі, методом гравіметрії. Закон тяжіння в формі Пуассона використовується при теоретичному вивченні зірок.

Принципові особливості класичної теорії тяжіння Ньютона:

2. Миттєве значення гравітаційного потенціалу повністю визначається розподілом мас у всьому просторі і граничними умовами для φ на нескінченності. Для обмежених розподілів приймається φ = 0 на r → ∞.

3. Перехід від однієї ІСО до іншої за допомогою перетворень Галілея, не змінює рівняння Пуассона і рівняння руху матеріальних тіл, отже, механіка Ньютона, включаючи ньютоновскую силу тяжіння, инвариантна до перетворень Галілея.

Перехід від ІСО до прискорено рухається з прискоренням (t) (без обертання) не змінює рівняння Пуассона, але призводить до появи додаткового котрий залежить від координат члена гравітаційна взаємодіяв рівнянні руху. Точно такий же член в рівнянні руху виникає, якщо в ІСО до гравітаційного потенціалу додати доданок, лінійно залежне від координат гравітаційна взаємодія‘= — гравітаційна взаємодія (T) тобто додати однорідне поле тяжіння. Таким чином, однорідне поле тяжіння може бути скомпенсировано в умовах прискореного руху.

Рух космічного корабля (ШСЗ) в поле тяжіння Землі, можна розглядати як рух падаючої системи координат. Прискорення космонавтів і всіх предметів в кораблі відносно Землі однаково одно прискоренню вільного падіння, а відносно один одного прискорення = 0. Наслідком цього є невагомість. Однак, вважати відносне прискорення рівним 0 можна тільки якщо гравітаційне поле однорідне. При вільному падінні в неоднорідному гравітаційному полі компенсація напруженості поля прискоренням не може бути повсюдною. Прискорення сусідніх вільно падаючих частинок не зовсім однаково, прискорення відносно один одного не дорівнює 0. У космічному кораблі відносні прискорення практично не помітні. Так як розміри корабля значно менше відстані від корабля до центру Землі. При цьому умови можна вважати гравітаційне поле в обсязі корабля однорідним. При досить високій точності експериментально можна встановити неоднорідність гравітаційного поля, однак при цій же точності завжди можна виділити область розміри якої не дають змоги помітити неоднорідність. В межах цієї області поле буде виглядати як однорідне.

Неоднорідність гравітаційного поля не помітне в межах космічного корабля стає помітною в системі Земля — ​​Місяць. Нерівні нулю відносні прискорення проявляють себе у вигляді океанських припливів. Сила, з якою Місяць притягує Землю, різна в різних точках Землі. Найближчі до Місяця частини водної поверхні притягуються сильніше, ніж центр тяжіння Землі, а він притягається сильніше ніж найбільш віддалені частини світового океану. Уздовж лінії Луна-Земля відносні прискорення спрямовані від центру Землі, а в ортогональних (перпендикулярних до цієї лінії) — до центру. В результаті водна оболонка Землі витягується у вигляді еліпсоїда уздовж лінії Земля — ​​Місяць. З — за обертання Землі по поверхні океану двічі на добу прокочуються приливні горби. Неоднорідність гравітаційного поля Сонця також створює приливну деформацію але її величина значно менше.

Класична механіка Ньютона і його теорія тяжіння — фундаментальні теорії фізики. Вони дають можливість окреслити з великою точністю велике коло явищ, в тому числі рух штучних і природних тіл у Сонячній системі і рух в інших небесних системах. На основі цих теорій передбачене існування супутника Сіріуса, планети Нептун і ін. В астрономії закони тяжіння Ньютона є фундаментом, на основі якого обчислюється рух і будова небесних тіл, їх еволюція, визначаються маси небесних тіл. Однак теорія Ньютона не узгоджується із загальною теорією відносності, так як вона передбачає миттєве поширення тяжіння. Її не можна застосовувати і в сильних полях тяжіння, які розганяють тіла до швидкості світла. Якщо тіло падає з нескінченності з нульовою початковою швидкістю, то отже, теорія Ньютона застосовується якщо | φ | «c 2. так як повинно бути багато менше з .

У полях звичайних небесних тіл ця умова виконується. Наприклад, поблизу поверхні Сонця ≈ 4 * 10 -6 а на поверхні білих карликів

Теорія Ньютона не може бути застосована, якщо частка влетіла в слабке гравітаційне поле, але вже далеко мала (не можна розрахувати траєкторію світла в поле тяжіння). Вона також не застосовується при розрахунку змінного поля тяжіння, створюваного рухомими тілами на відстані r > λ = cτ (τ — характерний час руху системи (наприклад, період обертання в системі подвійної зірки)).

Узагальнення теорії тяжіння на основі спеціальної теорії відносності розроблено А. Ейнштейном (1915 -1916 рр.) І представлено в формі загальної теорії відносності (ЗТВ). В основу ОТО покладена найважливіша особливість поля тяжіння, відома в теорії Ньютона: прискорення в поле тяжіння (прискорення вільного падіння) однакове для всіх тіл, незалежно від їх маси, від хімічних властивостей і ін. Це принцип суворої пропорційності гравітаційної mт (Важкої) і інертною mі мас. Гравітаційна маса mт входить в закон тяжіння Ньютона, інертна mі — в другій закон Ньютона. F = mт g F = mі a. Якщо прискорення a повідомляє сила тяжіння, то mт g = mі a; a = g, отже mт = mі

Рівність мас інертною і тяжіння підтверджено різними експериментами. Звідси випливає глибока аналогія між рухом тіл в полі тяжіння і рухом у відсутності поля тяжіння, але щодо прискореної системи відліку. Отже, сили інерції в прискореній системі відліку еквівалентні гравітаційному полю. Це і є принцип еквівалентності А. Ейнштейна. Можна здійснити і зворотну процедуру: можна «знищити» в даній точці справжнє гравітаційне поле введенням системи відліку, що рухається з прискоренням вільного падіння. В кабіні космічного корабля (без двигуна), що рухається навколо Землі в її полі тяжіння, настає стан невагомості — не виявляються сили тяжіння. Це «слабкий» принцип еквівалентності відноситься тільки до механіки. А. Ейнштейн припустив, що всі фізичні процес в істинному поле тяжіння і в прискореної системі в відсутності тяжіння протікають за однаковими законами. Це — «сильний» принцип еквівалентності.

Сказане вище відноситься до системи відліку, яка імітує однорідне поле тяжіння. Але поля тяжіння тіл не однорідні. Можна розглянути справжнє гравітаційне поле, еквівалентну локальним, відповідним чином прискореним в кожній точці, системам відліку. Тоді в будь-якій кінцевій області чотиривимірний простір — брешемо виявиться викривленим, неевклідовим. Це означає, що в тривимірному просторі геометрія неевклідова (сума кутів трикутника і ставлення довжини окружності до діаметру не дорівнює π), а час в різних точках тече по-різному. Отже, по А. Ейнштейну справжнє гравітаційне поле є прояв викривлення чотиривимірного простору — часу.

Згідно з ідеєю А. Ейнштейна, в поле тяжіння всі тіла рухаються по геодезичним (екстремальних) лініях в просторі — часу, яке викривлене, і тому геодезичні лінії — не прямий. Спостерігач сприймає в тривимірному просторі це рух як рух зі змінною швидкістю. У заданому полі все тіла при однакових початкових умовах, будуть рухатися по одним і тим же геодезичним лініях (однаково). Тому зміна швидкості тіл, тобто їх прискорення, в даному гравітаційному полі однаково. Однаковість прискорень тіл будь-якої маси і означає сувору пропорційність mт і mі. Кривизна простору — часу створюється джерелом гравітаційного поля. При цьому тяжіння, тобто викривлення простору і часу, визначається не тільки масою джерела, а й усіма видами енергії, які є в системі. Ця ідея з’явилася узагальненням принципу еквівалентності маси і енергії (E = m c 2) на випадок теорії тяжіння. Тяжіння залежить не тільки від розподілу мас в просторі, але і від їх руху, від тиску та натяжений, наявних в тілах, від електромагнітного поля і всіх інших фізичних полів.

У теорію тяжіння А. Ейнштейна входить висновок СТО про «кінцевої швидкості поширення всіх видів взаємодії». Це означає, що зміна гравітаційного поля має поширюватися в просторі зі швидкістю с.

У рівняннях Ньютона і Ейнштейна зліва стоять величини, що характеризують поле, а праворуч — величини характеризують матерію, що створює поле. Але у цих рівнянь є відмінності. У теорії Ньютона рівняння Δφ = 4 π G ρ — лінійне, отже, задовольняє принципу суперпозиції. Воно не залежить від руху мас, не визначає їх рух. Рух визначається другим законом Ньютона. В ОТО рівняння не лінійні, не задовольняють принципом суперпозиції. Рішення рівнянь Ейнштейна приводить до спільного визначення руху матерії, яка створює поле, і до обчислення самого поля. При цьому рівняння поля тяжіння містить в собі рівняння руху мас в поле тяжіння. З фізичної точки зору це означає, що в ОТО матерія створює викривлення простору — часу, яке впливає на рух матерії, що створює це викривлення. У разі слабких гравітаційних полів метрика простору — часу мало відрізняється від евклідової, і рівняння Ейнштейна наближено переходять в рівняння Ньютона. У цьому випадку досить малих поправок до рівнянь Ньютона. Ефекти, які відповідають цим поправкам, дозволяють експериментально перевірити ОТО. Особливо істотні ефекти ОТО в сильних гравітаційних полях. Серед висновків ОТО — існування чорних дір, сингулярностей простору — часу (тобто місць, де формально, відповідно до теорії, обривається існування часток і полів у відомій формі) і існування гравітаційних хвиль (гравітаційне випромінювання).

Цікаво відзначити, що до своїх рівнянь ЗТВ (теорія тяжіння) А. Ейнштейн додав космологічний член Λ,

[Λ] = см -2. з метою побудови моделі Всесвіту, що не змінюється з часом. Це відповідало існуючому на початку XX століття поданням про стаціонарному (статичному, незмінним у часі) стан Всесвіту. Космологічний член або космологічна стала Λ може розглядатися як величина, що описує щільність енергії, і тиск (або натягнення) вакууму. Введена в 1917 році космологічна стала мала врівноважити тяжіння матерії, тобто, діяти як антітяготеніе. Подальші дослідження рівнянь ЗТВ А.А.Фрідманом (1922 г) показали можливість не статичних рішень рівнянь ЗТВ в разі рівномірного розподілу матерії, без будь-якої космологічної сталої. Рішення описувало стискається і розширюється Всесвіт. А. Ейнштейн визнав правильність змінних щодо часу рішень і, таким чином, відсутність необхідності введення в рівняння космологічного члена. Однак, майже через 100 років ідея А. Ейнштейна про космологічної члені, що має сенс антигравітації, відродилася в зв’язку з виявленням розбігання Галактик з прискоренням [12].

ОТО — НЕ квантова теорія (як і електродинаміка Максвелла). Але гравітаційне поле повинно підкоряться квантовим законам, як і електромагнітне поле. Інакше було б протиріччя з принципом невизначеності для електронів, фотонів і т.д. З точки зору квантової теорії гравітаційні хвилі можна розглядати як потік квантів — Гравітон. Це частинки з нульовою масою спокою, і спіном, рівним 2 (в одиницях ħ). Квантові ефекти гравітації дуже слабкі, тому в більшості випадків можна користуватися не квантовою теорією тяжіння А. Ейнштейна. Але квантові ефекти повинні стати дуже істотними поблизу сингулярностей поля, де викривлення простору — часу велике. Відстані, на яких з’являються істотні відхилення від геометрії Евкліда, називається радіусом r кривизни простору — часу. Квантові ефекти гравітації стають визначальними, якщо цей радіус стає рівним планковской довжині:

Сингулярні стани виникають при гравітаційному колапсі. Вони були в минулому у Всесвіті. У сингулярному стані при енергіях 1016 ерг. = 109 Дж, всі види фізичних взаємодій, по видимому, проявляються як єдине. Квантові ефекти приводять до народження частинок в полі тяжіння чорних дірок. Вони можуть бути важливі для чорних дір малої маси (< 1015 р), які в принципі могли виникати на ранніх етапах розширення Всесвіту.

На закінчення відзначимо, що в основі ОТО лежить принцип еквівалентності. Він перевірявся в дослідах Л.Етвеша, Р. Дікке, В.Б.Брагінского, ефекті Р. Мессбауера. Ряд досвідчених перевірок пов’язаний з Сонцем і Сонячною системою. Наприклад, обидві теорії тяжіння, Ейнштейна і Ньютона, пророкують викривлення променя світла при проходженні поблизу масивних тіл. Але по ОТО ефект повинен бути в 2 рази більше. Спостереження проводилися в періоди повних Сонячних затемнень і підтвердили передбачення ОТО (1, 75 «з точністю 20%). З відхиленням променя пов’язаний інший ефект: велика тривалість поширення світла в поле тяжіння Сонця. Додаткова затримка (більше ніж по Ньютону)

2 * 10 -4 с. зареєстрована. Експерименти проводилися по радіолокації планет Марса і Венери під час їх проходження за диском Сонця, а також за допомогою ретрансляційних сигналів космічними кораблями. ОТО пророкує повільний додатковий поворот, (не пов’язаний з гравітаційним впливом інших планет) в еліптичній орбіті планет, що рухаються навколо Сонця. Найбільший ефект у Меркурія — 43 «в 100 років. Це пророцтво підтверджується з точністю до 1%.

Висока точність цих експериментів дозволяє оцінити вплив на масу різних видів енергій зв’язку між частинками тіла (дефект мас). Пропорційність інертною і гравітаційної мас означає, що фізичні взаємодії всередині тіла однаковим чином беруть участь в створенні mТ і mІ. [11, с 671, 672]

Актуалізація знань з фундаментальних взаємодій перед вивченням Сонячної системи в астрономії має сприяти більш глибокому розумінню не тільки її фізичних основ, але й розуміння загального характеру дії фізичних законів в природі.

Гравітаційна взаємодія це:

Гравітація (всесвітнє тяжіння, тяжіння) (Від лат. Gravitas — «тяжкість») — дальнодействием фундаментальне взаємодія в природі, якому піддаються всі матеріальні тіла. За сучасними даними, є універсальним взаємодією в тому сенсі, що, на відміну від будь-яких інших сил, всім без винятку тіл незалежно від їх маси надає однакове прискорення. Головним чином гравітація відіграє визначальну роль в космічних масштабах. термін гравітація використовується також як назва розділу фізики. вивчає гравітаційна взаємодія. Найбільш успішною сучасної фізичної теорією в класичній фізиці. описує гравітацію, є загальна теорія відносності. квантова теорія гравітаційної взаємодії поки не побудована.

зміст

гравітаційна взаємодія

Гравітаційна взаємодія — одне з чотирьох фундаментальних взаємодій в нашому світі. В рамках класичної механіки. гравітаційна взаємодія описується законом всесвітнього тяжіння Ньютона, який говорить, що сила гравітаційного тяжіння між двома матеріальними точками маси m1 і m2. розділеними відстанню R. пропорційна обом масам і обернено пропорційна квадрату відстані — тобто

гравітаційна взаємодія.

тут G — гравітаційна постійна. рівна приблизно гравітаційна взаємодія м³ / (кг • с?). Знак мінус означає, що сила, яка діє на тіло, завжди дорівнює у напрямку радіус-вектору, спрямованому на тіло, тобто гравітаційна взаємодія призводить завжди до тяжінню будь-яких тел.

Закон всесвітнього тяжіння — один з додатків закону зворотних квадратів, зустрічається так само і при вивченні випромінювань (див. Наприклад, Тиск світла), і є прямим наслідком квадратичного збільшення площі сфери при збільшенні радіуса, що призводить до квадратичного ж зменшення вкладу кожної окремої площі в площа всієї сфери.

Поле тяжкості потенційно. Це означає, що можна ввести потенційну енергію гравітаційного тяжіння пари тіл, і ця енергія не зміниться після переміщення тіл по замкнутому контуру. Потенційність поля тяжкості тягне за собою закон збереження суми кінетичної і потенційної енергії і при вивченні руху тіл в полі тяжіння часто істотно спрощує рішення. В рамках ньютонівської механіки гравітаційна взаємодія є дальнодействием. Це означає, що як би масивне тіло ні рухалося, в будь-якій точці простору гравітаційний потенціал залежить тільки від положення тіла в даний момент часу.

Великі космічні об’єкти — планети, зірки і галактики мають величезну масу і, отже, створюють значні гравітаційні поля.

Гравітація — слабка взаємодія. Однак, оскільки воно діє на будь-яких відстанях і все маси позитивні, це все ж таки дуже важлива сила у Всесвіті. Для порівняння: повний електричний заряд цих тіл нуль, так як речовина в цілому електрично нейтрально.

Також гравітація, на відміну від інших взаємодій, універсальна в дії на всю матерію і енергію. Чи не виявлені об’єкти, у яких взагалі було відсутнє б гравітаційна взаємодія.

Через глобальне характеру гравітація відповідальна і за такі великомасштабні ефекти, як структура галактик, чорні діри і розширення Всесвіту, і за елементарні астрономічні явища — орбіти планет, і за просте тяжіння до поверхні Землі і падіння тел.

Гравітація була першим взаємодією, описаним математичної теорією. В античні часи Аристотель вважав, що об’єкти з різною масою падають з різною швидкістю. Тільки багато пізніше Галілео Галілей експериментально визначив, що це не так — якщо опір повітря усувається, всі тіла прискорюються однаково. Закон всесвітнього тяжіння Ісаака Ньютона (1687) добре описував загальну поведінку гравітації. У 1915 році Альберт Ейнштейн створив Загальну теорію відносності. більш точно описує гравітацію в термінах геометрії простору-часу.

Небесна механіка і деякі її завдання

Розділ механіки. вивчає рух тіл в порожньому просторі тільки під дією гравітації називається небесною механікою .

Найбільш простим завданням небесної механіки є гравітаційна взаємодія двох тіл в порожньому просторі. Це завдання вирішується аналітично до кінця; результат її вирішення часто формулюють у вигляді трьох законів Кеплера.

При збільшенні кількості взаємодіючих тіл завдання різко ускладнюється. Так, вже знаменита завдання трьох тіл (тобто рух трьох тіл з ненульовими масами) не може бути вирішена аналітично в загальному вигляді. При чисельному ж рішенні, досить швидко настає нестійкість рішень щодо початкових умов. У застосуванні до Сонячної системи. ця нестійкість не дозволяє передбачити рух планет на масштабах, що перевищують сотню мільйонів років.

У деяких окремих випадках вдається знайти наближене рішення. Найбільш важливим є випадок, коли маса одного тіла істотно більша за масу інших тіл (приклади: сонячна система і динаміка кілець Сатурна). В цьому випадку в першому наближенні можна вважати, що легкі тіла не взаємодіють один з одним і рухаються по кеплерова траєкторіях навколо масивного тіла. Взаємодії ж між ними можна враховувати в рамках теорії збурень. і усереднювати за часом. При цьому можуть виникати нетривіальні явища, такі як резонанси. атрактори. хаотичність і т. д. Наочний приклад таких явищ — нетривіальна структура кілець Сатурна.

Незважаючи на спроби описати поведінку системи з великого числа притягають тіл приблизно однакової маси, зробити цього не вдається через явища динамічного хаосу.

Сильні гравітаційні поля

У сильних гравітаційних полях, при русі з релятивістськими швидкостями, починають проявлятися ефекти загальної теорії відносності:

  • відхилення закону тяжіння від ньютонівського;
  • запізнювання потенціалів, пов’язане з кінцевою швидкістю поширення гравітаційних збурень; поява гравітаційних хвиль;
  • ефекти нелінійності: гравітаційні хвилі мають властивість взаємодіяти один з одним, тому принцип суперпозиції хвиль в сильних полях уже не виконується;
  • зміна геометрії простору-часу;
  • виникнення чорних дір;

гравітаційне випромінювання

Одним з важливих передбачень ОТО є гравітаційне випромінювання. наявність якого до цих пір не підтверджено прямими спостереженнями. Однак, є непрямі спостережні свідоцтва на користь його існування, а саме: втрати енергії в подвійній системі з Пульсаром PSR B1913 + 16 — пульсаром Халса-Тейлора — добре узгоджуються з моделлю, в якій ця енергія несеться гравітаційним випромінюванням.

Гравітаційне випромінювання можуть генерувати тільки системи зі змінним квадрупольним або більш високими мультипольного моментами. цей факт говорить про те, що гравітаційне випромінювання більшості природних джерел спрямоване, що істотно ускладнює його виявлення. потужність гравітаційного l -польного джерела пропорційна (v / c ) 2l + 2. якщо мультиполя має електричний тип, і (v / c ) 2l + 4 — якщо мультиполя магнітного типу [1]. де v — характерна швидкість руху джерел в випромінюючої системі, а c — швидкість світла. Таким чином, домінуючим моментом буде квадрупольний момент електричного типу, а потужність відповідного випромінювання дорівнює:

гравітаційна взаємодія

де Qij — тензор квадрупольного моменту розподілу мас випромінює системи. Константа гравітаційна взаємодія (1 / Вт) дозволяє оцінити порядок величини потужності випромінювання.

Починаючи з 1969 року (експерименти Вебера (англ.)) І до теперішнього часу (лютий 2007) робляться спроби прямого виявлення гравітаційного випромінювання. У США, Європі і Японії в даний момент існує кілька діючих наземних детекторів (GEO 600), а також проект космічного гравітаційного детектора [2] республіки Татарстан.

Тонкі ефекти гравітації

Крім класичних ефектів гравітаційного тяжіння і уповільнення часу, загальна теорія відносності пророкує існування інших проявів гравітації, які в земних умовах дуже слабкі і їх виявлення і експериментальна перевірка тому дуже скрутні. До останнього часу подолання цих труднощів уявлялося за межами можливостей експериментаторів.

Серед них, зокрема, можна назвати захоплення інерційних систем відліку (або ефект Ленз-Тіррінга) і гравітомагнітное поле. У 2005 році автоматичний апарат НАСА Gravity Probe B провів безпрецедентний за точністю експеримент з вимірювання цих ефектів поблизу Землі, але його повні результати поки не опубліковані.

Квантова теорія гравітації

Незважаючи на більш ніж піввікову історію спроб, гравітація — єдине з фундаментальних взаємодій, для якого поки ще не побудована несуперечлива перенорміруемая квантова теорія. Втім, при низьких енергіях, в дусі квантової теорії поля. гравітаційна взаємодія можна уявити як обмін гравітонами — калібрувальними бозонами зі спіном 2.

Стандартні теорії гравітації

У зв’язку з тим, що квантові ефекти гравітації надзвичайно малі навіть в самих екстремальних експериментальних і спостережних умовах, до сих пір не існує їх надійних спостережень. Теоретичні оцінки показують, що в переважній більшості випадків можна обмежитися класичним описом гравітаційного взаємодії.

Існує сучасна канонічна [3] класична теорія гравітації — загальна теорія відносності. і безліч уточнюючих її гіпотез і теорій різного ступеня розробленості, конкуруючих між собою (див. статтю Альтернативні теорії гравітації). Всі ці теорії дають дуже схожі передбачення в рамках того наближення, в якому в даний час здійснюються експериментальні тести. Далі описані кілька основних, найбільш добре розроблених або відомих теорій гравітації.

У стандартному підході загальної теорії відносності (ЗТВ) гравітація розглядається спочатку не як силове взаємодія, а як прояв викривлення простору-часу. Таким чином, в ОТО гравітація інтерпретується як геометричний ефект, причому простір-час розглядається в рамках неевклідової ріманової (точніше псевдо-ріманової) геометрії. Гравітаційне поле (узагальнення ньютоновского гравітаційного потенціалу) іноді зване також полем тяжіння, в ОТО ототожнюється з тензорним метричних полем або метрикою чотиривимірного простору-часу, а напруженість гравітаційного поля — з афінної зв’язності простору-часу, яка визначається метрикою. Стандартної завданням ОТО є визначення компонент метричного тензора, в сукупності задають метрику простору-часу, за відомим розподілом джерел енергії-імпульсу в даній системі чотиривимірних координат. У свою чергу знання метрики дозволяє розраховувати рух пробних частинок, що еквівалентно знанню властивостей поля тяжіння в даній системі. У зв’язку з тензорним характером рівнянь ЗТВ, а також зі стандартним фундаментальним обґрунтуванням її формулювання, вважається, що гравітація також носить тензорний характер. Одним із наслідків є те, що гравітаційне випромінювання має бути не нижче квадрупольного порядку. Відомо, що в ОТО є труднощі з поясненням факту неінваріантни енергії гравітаційного поля, оскільки дана енергія не описується тензором. У класичній ОТО також виникає проблема опису спін-орбітальної взаємодії. Вважається, що існують певні проблеми з однозначністю результатів і обгрунтуванням несуперечності. Однак експериментально ОТО вважається підтверджує до самого останнього часу. Крім того, багато альтернативні ейнштейнівському, але стандартні для сучасної фізики, підходи до формулювання теорії гравітації призводять до результату, що збігається з ОТО в низькоенергетичному наближенні, яке в основному і є експериментальної перевірки.

Теорія Ейнштейна-Картана

Теорія Ейнштейна-Картана (ЕК) була розроблена як розширення ОТО, внутрішньо включає в себе опис впливу на простір-час крім енергії-імпульсу також і спина об’єктів. [4] В теорії ЕК вводиться Афінний кручення, а замість псевдорімановим геометрії для простору-часу використовується геометрія Рімана-Картана. В результаті від метричної теорії переходять до аффинной теорії простору-часу. Результуючі рівняння для опису простору-часу розпадаються на два класи. Один з них аналогічний ОТО, з тією відмінністю, що в тензор кривизни включені компоненти з аффінним крутінням. Другий клас рівнянь задає зв’язок тензора кручення і тензора спина матерії і випромінювання. Отримувані поправки до ОТО настільки малі, що поки не видно навіть гіпотетичних шляхів для їх вимірювання.

Релятивістська теорія гравітації

Релятивістська теорія гравітації (РТГ) розробляється академіком Логунова А. А. з групою співробітників. [5] У ряді робіт вони стверджують, що РТГ має наступні відмінності від ОТО [6]:

  • Гравітація тобто не геометричне поле, а реальне фізичне силове поле, що описується тензором.
  • Гравітаційні явища слід розглядати в рамках плоского простору Маньківського, в якому однозначно виконуються закони збереження енергії-імпульсу і моменту кількості руху. Тоді рух тіл в просторі Маньківського еквівалентно руху цих тіл в ефективному римановом просторі.
  • У тензорних рівняннях для визначення метрики слід враховувати масу Гравітон, а також використовувати калібрувальні умови, пов’язані з метрикою простору Маньківського. Це не дозволяє знищити гравітаційне поле навіть локально вибором якийсь підходящої системи відліку.

Як і в ОТО, в РТГ під речовиною розуміються всі форми матерії (включаючи і електромагнітне поле), за винятком самого гравітаційного поля. Наслідки з теорії РТГ такі: чорних дірок як фізичних об’єктів, які передбачаються в ОТО, не існує; Всесвіт плоска, однорідна, ізотропна, нерухома і Евклідовому.

C іншого боку, існують не менш переконливі аргументи противників РТГ, що зводяться до наступних положень:

  • РТГ є біметріческая теорія, в разі безмассового Гравітон еквівалентна так званої польової трактуванні ОТО як надбудові над неспостережуваних простором Маньківського: «У релятивістської теорії гравітації … фігурують в точності ті ж лагранжіан …, які призводять до рівнянь гравітаційного поля» [7]. «Математичний зміст РТГ зводиться до математичного змісту ОТО (в польовій формулюванні)» [8]. Цей аргумент в такому викладі, правда, по-видимому не враховує можливих топологічних відмінностей між звичайною моделлю ОТО і такою моделлю, або ж, принаймні, маскує їх.
  • Випадок масивного Гравітон в РТГ не дає правильного ньютоновского межі при переході до маси рівною 0, і, отже, безглуздий.
  • Додаткові рівняння РТГ є всього лише координатні умови: «Весь набір рівнянь РТГ в термінах метрики викривленого простору-часу можна звести до рівнянь Ейнштейна плюс гармонійне координатне умова, настільки успішно використовувалося Фоком» [8].
  • Вищенаведені слідства з РТГ є лише наслідком неточностей: неіснування чорних дір — наслідком неможливості покрити однієї координатної картою, еквівалентній простору-часу Маньківського, простір-час сколлапсировало в чорну діру об’єкта; космологічних прогнозів — наслідком прийнятих координатних умов в поєднанні з абсолютно довільним додатковим припущенням про вкладеності світлових конусів реального простору в конуси простору Маньківського. (Як бачимо, цей аргумент явно суперечить першому, показуючи розбіжність РТГ і ОТО, які цілком відчутні, і, якщо залишити міркування, очевидно вихідні просто зсередини звичайної логіки ОТО, або судження про довільність постулатів, то рішення про вірність одного з цих підходів залишається за експериментом, якщо звичайно не буде все ж доведено досить неочевидна їх повна еквівалентність в області спостерігається).

У скалярно-тензорних теоріях, найвідомішою з яких є теорія Бранса — Дікке (або Йордана — Бранса — Дікке), гравітаційне поле як ефективна метрика простору-часу визначається впливом не тільки тензора енергії-імпульсу матерії, як в ОТО, а й додаткового гравітаційного скалярного поля. Джерелом скалярного поля вважається згорнутий тензор енергії-імпульсу матерії. Отже, скалярно-тензорні теорії, як ОТО і РТГ, відносяться до метричних теорій, що дає пояснення гравітації, використовуючи тільки геометрію простору-часу і його метричні властивості. Наявність скалярного поля призводить до двох тензорним рівнянням для метрики. Теорія Бранса — Дікке внаслідок наявності скалярного поля може розглядатися також як діюча в пятимерном різноманітті, що складається з простору-часу і скалярного поля. [9]

Подібне має місце і в РТГ, де друге тензорне рівняння вводиться для обліку зв’язку між неевклідовим простором і простором Маньківського [10]. Завдяки наявності безрозмірного підгінним параметра в теорії Йордана — Бранса — Дікке, з’являється можливість вибрати його так, щоб результати теорії збігалися з результатами гравітаційних експериментів.

Джерела та примітки

  1. Див. Аналогією між слабким гравітаційним полем і електромагнітним полем в статті гравітомагнетізм
  2. http://dulkyn.org.ru/ru/about.html
  3. Канонічної ця теорія є в тому сенсі, що вона найбільш добре розроблена і широко використовується в сучасній небесної механіки. астрофізиці і космології. причому кількість надійно встановлених суперечать їй експериментальних результатів практично дорівнює нулю.
  4. Іваненко Д. Д .. Пронін П. І. Сарданашвілі Г. А .. Калібрувальна теорія гравітації. — М. Изд. МГУ, 1985.
  5. Логунов А. А. Мествірішвілі М. А. Релятивістська теорія гравітації. — М: Наука, 1989.
  6. Логунов А. А. Мествірішвілі М. А. Тензор енергії-імпульсу матерії як джерело гравітаційного поля. — Теоретична і математична фізика, 1997, Т. 110, Вип. 1, стор. 5 — 24.
  7. Зельдович Я. Б. Грищук Л. П. тяжіння, ЗАГАЛЬНА ТЕОРІЯ відносності І АЛЬТЕРНАТИВНІ ТЕОРІЇ. УФН, 1986, Т. 149, № 4, с. 695-707. С. 704.
  8. 12 Зельдович Я. Б. Грищук Л. П. Загальна теорія відносності вірна! УФН, 1988, Т. 155, № 3, с. 517-527. С. 521, 524.
  9. 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.
  10. З ортодоксальної точки зору це уравенную є координатне умова, див. Вище.

література

  • Візгін В. П. Релятивістська теорія тяжіння (витоки і формування, 1900-1915). М. Наука, 1981. — 352c.
  • Візгін В. П. Єдині теорії в 1-ій третині ХХ ст. М. Наука, 1985. — 304c.
  • Іваненко Д. Д .. Сарданашвілі Г. А. Гравітація, 3-е изд. М.: УРСС, 2008. — 200с.

Основні підрозділи в фізиці

Wikimedia Foundation. 2010 року.

Дивитися що таке «Гравітаційна взаємодія» в інших словниках:

Гравітаційні ВЗАЄМОДІЯ — один з чотирьох видів (поряд зі слабким, сильним і електромагнітним взаємодіями) взаємодії елементарних частинок, обумовлений їх взаємним притяганням (див.) І здійснюється за допомогою (див. (4)). Г. в. є найбільш слабким серед ін … Велика політехнічна енциклопедія

Гравітаційні ВЗАЄМОДІЯ — універсальне (властиве всім видам матерії) взаємодія, найслабше з фундаментальних взаємодій елементарних частинок (див. Тяжіння); має характер притягання … Великий Енциклопедичний словник

Гравітаційні ВЗАЄМОДІЯ — елементарних частинок, найбільш слабке з усіх відомих фундам. вз ствий. Спостережні прояви Г. в. пов’язані з його дальнодействием хар ром і когерентним посиленням гравитац. ефектів в макроскопіч. масштабах (див. Тяжіння). У макропроцессах … Фізична енциклопедія

Гравітаційні ВЗАЄМОДІЯ — Гравітаційні ВЗАЄМОДІЯ, дивись Взаємодії фундаментальні … Сучасна енциклопедія

гравітаційна взаємодія — Гравітаційні ВЗАЄМОДІЯ, дивись Взаємодії фундаментальні. … Ілюстрований енциклопедичний словник

гравітаційна взаємодія — універсальне (властиве всім видам матерії) взаємодія, найслабше з фундаментальних взаємодій елементарних частинок (див. Тяжіння); має характер притягання. * * * Гравітаційні ВЗАЄМОДІЯ Гравітаційні ВЗАЄМОДІЯ, … … Енциклопедичний словник

гравітаційна взаємодія — gravitacinė sąveika statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Viena iš pagrindinių sąveikų. Jos objektai — visos masę turinčios dalelės (sistemos). Elementariųjų dalelių vyksmuose nereikšminga, tačiau lemia didelės masės kūnų … … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

гравітаційна взаємодія — gravitacinė sąveika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. gravitational interaction vok. Gravitationswechselwirkung, f; gravitative Wechselwirkung, f rus. гравітаційна взаємодія, n pranc. interaction gravitationnelle, f … Fizikos terminų žodynas

Гравітаційні ВЗАЄМОДІЯ — універсальне (властиве всім видам матерії) взаємодія, найслабше з фундам. взаємодій елементарних частинок (див. Тяжіння); має характер притягання … Природознавство. енциклопедичний словник

гравітаційна взаємодія — Універсальне фундаментальне взаємодія між усіма фізичними об’єктами, інтенсивність якого визначається їх повною енергією … Політехнічний термінологічний тлумачний словник

  • Гравітація. Jesse Russell. Ця книга буде виготовлена ​​в відповідності з Вашим замовленням за технологією Print-on-Demand. Увага! Книга являє собою набір матеріалів з Вікіпедії і / або інших online-джерел. … Детальніше Купити за тисячу триста вісімдесят-два руб
  • Закон всесвітнього тяжіння. Джессі Рассел. Ця книга буде виготовлена ​​в відповідності з Вашим замовленням за технологією Print-on-Demand. High Quality Content by WIKIPEDIA articles! Класси? Чна тео? Рія тяготи? Ня Ньют? На (Зак? Н … Детальніше Купити за +1382 руб
  • Шалена Всесвіт. Від Великого вибуху до прискореного розширення, від кварків до суперструн. М. П. Хван. Книга Шалена Всесвіт складається з трьох розділів і восьми глав. У першому розділі — «Від частинок до суперструн» — розглядаються проблеми народження нашого Всесвіту у результаті Великого … Детальніше Купити за 694 руб

Інші книги по запросу «Гравітаційна взаємодія» >>

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *