Гравитационное взаимодействие

Гравитационное взаимодействие – это универсальное взаимодействие между любыми видами материи. Это означает, что оно осуществляется и между частицами вещества, и между физическими полями. Гравитационное взаимодействие - это всегда притяжение. В нем участвуют все классы элементарных частиц. Из всех фундаментальных взаимодействий оно является самым слабым, и в современной теории элементарных частиц обычно не учитывается.

Гравитационное взаимодействие – дальнодействующее. Это означает, что его радиус действия равен бесконечности.

Если поле тяготения достаточно слабое и тела движутся медленно, по сравнению со скоростью света, то справедлив закон всемирного тяготения Ньютона. Согласно этому закону, две материальные точки (под материальными точками в данном случае можно понимать любые тела, линейные размеры которых много меньше расстояния между ними) притягиваются с силой:

где g - гравитационная постоянная, впервые определенная экспериментально в 1798 г. Г. Кавендишем. По современным данным g = 6,67*10^-11Н×м²/кг².

m1, m2 – массы тел;

r - расстояние между материальными точками.

Важно отметить, что в законе всемирного тяготения масса выступает в качестве меры гравитации, т.е. определяет силу тяготения между материальными телами.

Важность закона всемирного тяготения состоит в том, что Ньютон, таким образом, динамически обосновал систему Коперника и законы Кеплера.

Следует обратить внимание на важный факт, свидетельствующий о глубокой интуиции Ньютона. Фактически Ньютон установил пропорциональность между массой и весом, что означало, что масса является не только мерой инертности, но мерой гравитации. Ньютон отлично понимал важность этого факта. В своих опытах он установил, что масса инертная и масса гравитационная совпадают с точностью до 10^-3. Впоследствии А. Эйнштейн, считая равенство инерционной и гравитационной масс фундаментальным законом природы, положил его в основу общей теории относительности, или ОТО. (Интересно, что в период создания ОТО это равенство было доказано с точностью до 5×10^-9, а в настоящее время оно доказано с точностью до 10^-12‑.)

В третьей части книги Ньютон изложил Общую Систему Мира и небесную механику, в частности, теорию сжатия Земли у полюсов, теорию приливов и отливов, движения комет, возмущения в движении планет и т.д. на основе закона всемирного тяготения.

Утверждение Ньютона о том, что Земля сжата у полюсов, было экспериментально доказано в 1735-1744 гг. в результате измерения дуги земного меридиана в экваториальной зоне (Перу) и на севере (Лапландия) двумя экспедициями Парижской Академии наук.

Следующим большим успехом закона всемирного тяготения было предсказание ученым Клеро времени возвращения кометы Галлея. В 1682 г. Галлей открыл новую комету и предсказал ее возвращение в сферу земного наблюдения через 76 лет. Однако в 1758 г. комета не появилась, и Клеро сделал новый расчет времени ее появления на основе закона всемирного тяготения с учетом влияния Юпитера и Сатурна. Назвав время ее появления – 4 апреля 1759 г., Клеро ошибся всего на 19 дней.

(Успехи теории тяготения в решении проблем небесной механики продолжались и в 19 веке. Так в 1846 г. французский астроном Леверье писал своему немецкому коллеге Галле: «направьте ваш телескоп на точку эклиптики в созвездии Водолея на долготе 326 градусов, и вы найдете в пределах одного градуса от этого места новую планету с заметным диском, имеющую вид звезды приблизительно девятой величины.» Эта точка была вычислена Леверье и независимо от него Адамсом (Англия) на основе закона всемирного тяготения при анализе наблюдаемых «неправильностей» в движении Урана и предположения, что вызываются они влиянием неизвестной планеты. И действительно, 23 сентября 1846 г. Галле в указанной точке неба обнаружил новую планету. Так родились слова «Планета Нептун открыта на кончике пера».)

В общем случае, который включает сильные поля тяготения и высокие скорости движения, сравнимые со скоростью света, тяготение описывается общей теорией относительности (ОТО). ОТО является обобщением ньютоновской теории тяготения на основе специальной теория относительности (СТО).

Теория Эйнштейна описывает тяготение как воздействие физической материи на свойства четырехмерного пространства-времени. Оно, в свою очередь, влияет на движение материи и другие физические процессы. Так, ОТО установлено, что материя искривляет пространство-время. И это искривление, проявляемое как тяготение, влияет на движение материи. В таком пространстве-времени движение тел по инерции, т.е. при отсутствии внешних сил, происходит уже не по прямым, а по искривленным линиям (геодезическим линиям) и с переменной скоростью. Геометрия обычного трехмерного пространства оказывается неэвклидовой (она описывается геометрией Римана).

Эйнштейновская теория тяготения приводит, по сравнению с ньютоновской, к качественно новым эффектам:

а) к существованию гравитационных волн, испускаемых неравномерно движущимися телами;

б) к гравитационному изменению длины волны света в сильном поле тяготения;

в) к возможности возникновения “черных дыр”. “Черная дыра” - это объект, возникающий в результате сильного сжатия тела, при котором гравитационное поле возрастает настолько, что тело не испускает ни свет, ни любое другое излучение или частицы. Для образования “черной дыры” необходимо, чтобы тело сжалось до размеров, меньших так называемого гравитационного радиуса.

Он определяется массой М и равен

где g = 6,7·10-8см3г-1сек-2-гравитационная постоянная;

с - скорость света.

Для обычных астрофизических объектов r гр- очень мал по сравнению с их действительными размерами. Так, для Земли r гр» 0,9 см, для Солнца - около 3 км.

По современным представлениям, “черная дыра” может образоваться в конце эволюция массивной сверхновой звезды.

Необходимо отметить, что многие представления ОТО с хорошей точностью подтверждаются экспериментально.

Гравитационное поле должно подчиняться квантовым законам, как и все остальные физические поля. Квантовая теория гравитации не завершена. Но в ней гравитационные волны рассматриваются как поток квантов – гравитонов. Гравитоны представляют собой электрически нейтральные частицы с нулевой массой покоя. В подавляющем большинстве мыслимых процессов во Веленной квантовые эффекты гравитация чрезвычайно слабы. Но вблизи особых точек, где искривление пространства-времени очень велико, квантовые эффекты должны быть существенными. ОТО предсказывает, что квантовые эффекты гравитации должны быть определяющими, когда радиус кривизны пространства-времени становится равным величине

Расстояние r пл- называют планковской длиной. В таких условиях ОТО неприменима.

Считается, что трудности в построении теории элементарных частиц могут быть устранены с учетом гравитационного взаимодействия на очень малых расстояниях – порядка 10-33 см. На таких расстояниях будет сказываться изменение геометрии пространства-времени за счет гравитации. Есть предположение, что планковская длина – это гипотетическая универсальная постоянная размерности длины, определяющая пределы применимости фундаментальных физических представлений теории относительности, квантовой теории, принципа причинности.