Žvaigždžių naujienos
Mokslininkai, metę iššūkį Einšteino gravitacijos teorijai. Klasikinės gravitacijos teorijos
Gravitacinė sąveika yra viena iš keturių pagrindinių mūsų pasaulio sąveikų. Klasikinės mechanikos rėmuose aprašoma gravitacinė sąveika pagal įstatymus universalioji gravitacija Niutonas, kuris teigia, kad gravitacinės traukos jėga tarp dviejų materialių masės taškų m 1 ir m 2 atskirti atstumu R, yra proporcinga abiem masėms ir atvirkščiai proporcinga atstumo kvadratui – tai yra
.Čia G- gravitacinė konstanta, lygi apytiksliai 
m³/(kg s²). Minuso ženklas reiškia, kad jėga, veikianti kūną, visada yra lygi spindulio vektoriui, nukreiptam į kūną, tai yra, gravitacinė sąveika visada lemia bet kokių kūnų trauką.
Visuotinės gravitacijos dėsnis yra vienas iš atvirkštinio kvadrato dėsnio, kuris taip pat pasitaiko tiriant spinduliuotę (žr., pavyzdžiui, Šviesos slėgį), pritaikymų ir yra tiesioginė kvadratinio ploto padidėjimo pasekmė. sfera, kurios spindulys didėja, o tai lemia kvadratinį bet kurio ploto vieneto įnašo į visos sferos plotą sumažėjimą.
Paprasčiausia dangaus mechanikos problema yra dviejų kūnų gravitacinė sąveika tuščioje erdvėje. Ši problema išspręsta analitiškai iki galo; jos sprendimo rezultatas dažnai formuluojamas trijų Keplerio dėsnių forma.
Didėjant sąveikaujančių kūnų skaičiui, užduotis tampa žymiai sudėtingesnė. Taigi, jau žinoma trijų kūnų problema (ty judėjimas trys kūnai su nulinėmis masėmis) negali būti išspręstas analitiškai bendras vaizdas. Naudojant skaitinį sprendimą, sprendinių nestabilumas, palyginti su pradinėmis sąlygomis, atsiranda gana greitai. Taikant šį nestabilumą Saulės sistemoje, neįmanoma numatyti planetų judėjimo didesniais nei šimto milijonų metų masteliais.
Kai kuriais ypatingais atvejais galima rasti apytikslį sprendimą. Svarbiausias atvejis, kai vieno kūno masė yra žymiai didesnė už kitų kūnų masę (pavyzdžiai: Saulės sistema ir Saturno žiedų dinamika). Šiuo atveju, kaip pirmą aproksimaciją, galime daryti prielaidą, kad šviesos kūnai nesąveikauja vienas su kitu ir juda Keplerio trajektorijomis aplink masyvų kūną. Į jų sąveiką galima atsižvelgti taikant perturbacijos teoriją ir apskaičiuoti jos vidurkį laikui bėgant. Tokiu atveju gali atsirasti nebanalūs reiškiniai, tokie kaip rezonansai, atraktoriai, chaosas ir tt Ryškus tokių reiškinių pavyzdys yra nebanali Saturno žiedų struktūra.
Nepaisant bandymų apibūdinti daugelio maždaug vienodos masės traukiančių kūnų sistemos elgesį, to negalima padaryti dėl dinaminio chaoso reiškinio.
Stiprūs gravitaciniai laukai
Stipriuose gravitaciniuose laukuose, judant su reliatyvistiniai greičiai, pradeda ryškėti bendrosios reliatyvumo teorijos padariniai:
- gravitacijos dėsnio nukrypimas nuo Niutono;
- potencialų vėlavimas, susijęs su baigtiniu gravitacinių trikdžių sklidimo greičiu; gravitacinių bangų atsiradimas;
- netiesiškumo efektai: gravitacinės bangos linkusios sąveikauti viena su kita, todėl bangų superpozicijos principas stiprūs laukai nebevykdoma;
- keičiant erdvės ir laiko geometriją;
- juodųjų skylių atsiradimas;
Gravitacinė spinduliuotė
Viena iš svarbių bendrosios reliatyvumo teorijos prognozių yra gravitacinė spinduliuotė, kurios buvimas tiesioginiais stebėjimais dar nepatvirtintas. Tačiau yra netiesioginių stebėjimų įrodymų, patvirtinančių jos egzistavimą, būtent: energijos nuostoliai dvejetainėje sistemoje su pulsaru PSR B1913+16 - Hulse-Taylor pulsaru - gerai sutampa su modeliu, kuriame ši energija nešama gravitacinė spinduliuotė.
Gravitacinę spinduliuotę gali generuoti tik sistemos su kintamu keturpoliu arba didesniu daugiapoliu momentu, tai rodo, kad gravitacinė spinduliuotė natūralių šaltinių kryptinis, o tai žymiai apsunkina jo aptikimą. Gravitacijos galia l-lauko šaltinis yra proporcingas (v / c) 2l + 2 , jei daugiapolis yra elektrinio tipo, ir (v / c) 2l + 4 - jei daugiapolis yra magnetinio tipo, kur v yra būdingas šaltinių judėjimo greitis spinduliavimo sistemoje, ir c- šviesos greitis. Taigi dominuojantis momentas bus elektrinio tipo kvadrupolio momentas, o atitinkamos spinduliuotės galia lygi:
Kur K ij- spinduliavimo sistemos masės pasiskirstymo kvadrupolio momento tenzorius. Pastovus 
(1/W) leidžia įvertinti spinduliuotės galios dydį.
Nuo 1969 m. (Weberio eksperimentai) iki šių dienų (2007 m. vasario mėn.) buvo bandoma tiesiogiai aptikti gravitacinę spinduliuotę. JAV, Europoje ir Japonijoje šiuo metu veikia keli antžeminiai detektoriai (GEO 600), taip pat Tatarstano Respublikos kosminio gravitacinio detektoriaus projektas.
Subtilus gravitacijos poveikis
Be klasikinių gravitacinio traukos ir laiko išsiplėtimo efektų, bendroji reliatyvumo teorija numato ir kitų gravitacijos apraiškų egzistavimą, kurie antžeminėmis sąlygomis yra labai silpni, todėl juos aptikti ir eksperimentiškai patikrinti yra labai sunku. Dar visai neseniai šių sunkumų įveikimas atrodė viršijantis eksperimentuotojų galimybes.
Tarp jų visų pirma galime įvardyti inercinių atskaitos sistemų įtraukimą (arba objektyvo-Thirringo efektą) ir gravitomagnetinį lauką. 2005 m. NASA nepilotuojamas „Gravity Probe B“ atliko precedento neturintį tikslumo eksperimentą, siekdamas išmatuoti šiuos efektus netoli Žemės, tačiau visi jo rezultatai dar nepaskelbti.
Kvantinė gravitacijos teorija
Nepaisant daugiau nei pusę amžiaus trukusių bandymų, gravitacija yra vienintelė esminė sąveika, kuriai dar nesukurta nuosekli renormalizuojama kvantinė teorija. Tačiau esant žemai energijai, remiantis kvantinio lauko teorijos dvasia, gravitacinė sąveika gali būti pavaizduota kaip gravitonų mainai - matuoklio bozonai su sukiniu 2.
Standartinės gravitacijos teorijos
Dėl to, kad kvantiniai gravitacijos efektai yra itin maži net pačiomis ekstremaliausiomis eksperimento ir stebėjimo sąlygomis, patikimų jų stebėjimų vis dar nėra. Teoriniai skaičiavimai rodo, kad daugeliu atvejų įmanoma apriboti klasikinis aprašymas gravitacinė sąveika.
Egzistuoja šiuolaikinė kanoninė klasikinė gravitacijos teorija – bendroji reliatyvumo teorija ir daug hipotezių bei įvairaus išsivystymo laipsnio teorijų, kurios ją paaiškina, konkuruoja tarpusavyje (žr. straipsnį Alternatyvios gravitacijos teorijos). Visos šios teorijos daro labai panašias prognozes, atsižvelgiant į aproksimaciją, kurioje šiuo metu atliekami eksperimentiniai bandymai. Toliau pateikiamos kelios pagrindinės, labiausiai išvystytos arba žinomos gravitacijos teorijos.
- Gravitacija yra ne geometrinis laukas, o realus fizinės jėgos laukas, apibūdinamas tenzoriumi.
- Gravitacijos reiškiniai turėtų būti nagrinėjami plokščios Minkovskio erdvės rėmuose, kurioje nedviprasmiškai tenkinami energijos-momento ir kampinio momento tvermės dėsniai. Tuomet kūnų judėjimas Minkovskio erdvėje prilygsta šių kūnų judėjimui efektyvioje Riemanno erdvėje.
- Tenzorinėse lygtyse, siekiant nustatyti metriką, reikia atsižvelgti į gravitonų masę ir naudoti matuoklio sąlygas, susijusias su Minkovskio erdvės metrika. Tai neleidžia sunaikinti gravitacinio lauko net lokaliai pasirenkant kai kuriuos tinkama sistema atgalinis skaičiavimas.
Kaip ir bendrojoje reliatyvumo teorijoje, RTG medžiaga reiškia visas materijos formas (įskaitant elektromagnetinį lauką), išskyrus patį gravitacinį lauką. RTG teorijos pasekmės yra tokios: juodosios skylės kaip fiziniai objektai, numatyti Bendrojoje reliatyvumo teorijoje, neegzistuoja; Visata yra plokščia, vienalytė, izotropinė, stacionari ir euklidinė.
Kita vertus, yra ne mažiau įtikinamų RTG oponentų argumentų, kurie susiveda į šiuos dalykus:
Panašus dalykas vyksta RTG, kur įvedama antroji tenzorių lygtis, siekiant atsižvelgti į ryšį tarp neeuklido erdvės ir Minkovskio erdvės. Dėl to, kad Jordano-Branso-Dicke teorijoje yra bematis derinimo parametras, tampa įmanoma jį pasirinkti taip, kad teorijos rezultatai sutaptų su gravitacinių eksperimentų rezultatais.
| Gravitacijos teorijos | ||||||||
|
Nepaisant to, kad gravitacija yra silpniausia sąveika tarp objektų Visatoje, jos reikšmė fizikoje ir astronomijoje yra didžiulė, nes ji gali paveikti fizinius objektus bet kokiu atstumu erdvėje.
Jei domitės astronomija, tikriausiai susimąstėte, kas yra tokia sąvoka kaip gravitacija arba visuotinės gravitacijos dėsnis. Gravitacija yra universali pagrindinė sąveika tarp visų Visatoje esančių objektų.
Gravitacijos dėsnio atradimas priskiriamas garsiam anglų fizikui Isaacui Newtonui. Tikriausiai daugelis žinote istoriją apie garsiajam mokslininkui ant galvos užkritusio obuolio. Tačiau jei pažvelgsite į istoriją giliau, pamatysite, kad apie gravitacijos buvimą dar gerokai prieš jo erą galvojo antikos filosofai ir mokslininkai, pavyzdžiui, Epikūras. Tačiau būtent Niutonas pirmasis aprašė gravitacinę sąveiką tarp fizinių kūnų klasikinės mechanikos rėmuose. Jo teoriją sukūrė kitas garsus mokslininkas Albertas Einšteinas, savo bendrojoje reliatyvumo teorijoje tiksliau apibūdinęs gravitacijos įtaką erdvėje, taip pat jos vaidmenį erdvės ir laiko kontinuume.
Niutono visuotinės traukos dėsnis teigia, kad gravitacinės traukos jėga tarp dviejų masės taškų, atskirtų atstumu, yra atvirkščiai proporcinga atstumo kvadratui ir tiesiogiai proporcinga abiem masėms. Gravitacijos jėga yra ilgalaikė. Tai yra, nepaisant to, kaip juda masės kūnas, klasikinėje mechanikoje jo gravitacinis potencialas priklausys tik nuo šio objekto padėties. Šis momentas laikas. Kuo didesnė objekto masė, tuo didesnis jo gravitacinis laukas – tuo galingesnė jo gravitacinė jėga. Kosminiai objektai, tokie kaip galaktikos, žvaigždės ir planetos, turi didžiausią traukos jėgą ir atitinkamai gana stiprius gravitacinius laukus.
Gravitacijos laukai
Žemės gravitacinis laukas
Gravitacinis laukas yra atstumas, per kurį vyksta gravitacinė sąveika tarp Visatos objektų. Kuo didesnė objekto masė, tuo stipresnis jo gravitacinis laukas – tuo labiau pastebimas jo poveikis kitiems fiziniams kūnams tam tikroje erdvėje. Objekto gravitacinis laukas yra potencialus. Ankstesnio teiginio esmė yra ta, kad jei įvesite potencialią traukos energiją tarp dviejų kūnų, ji nepasikeis, judant pastarąjį uždara kilpa. Iš čia atsiranda dar vienas garsus potencialo ir sumos išsaugojimo dėsnis kinetinė energija uždaroje kilpoje.
Materialiame pasaulyje gravitacinis laukas turi didelę reikšmę. Jį turi visi materialūs Visatos objektai, turintys masę. Gravitacinis laukas gali turėti įtakos ne tik medžiagai, bet ir energijai. Būtent dėl tokių didelių kosminių objektų, kaip juodosios skylės, kvazarai ir supermasyvios žvaigždės, gravitacinių laukų įtakos susidaro Saulės sistemos, galaktikos ir kiti astronominiai spiečiai, pasižymintys logine struktūra.
Naujausi moksliniai duomenys rodo, kad garsusis Visatos plėtimosi efektas pagrįstas ir gravitacinės sąveikos dėsniais. Visų pirma, Visatos plėtimąsi palengvina galingi gravitaciniai laukai, tiek maži, tiek didžiausi objektai.
Gravitacinė spinduliuotė dvejetainėje sistemoje
Gravitacinė spinduliuotė arba gravitacinė banga yra terminas, kurį fizikoje ir kosmologijoje pirmą kartą įvedė garsus mokslininkas Albertas Einšteinas. Gravitacinę spinduliuotę gravitacijos teorijoje sukuria materialių objektų judėjimas kintamu pagreičiu. Objekto pagreičio metu nuo jo tarsi „nutrūksta“ gravitacinė banga, kuri sukelia gravitacinio lauko svyravimus supančioje erdvėje. Tai vadinama gravitacinės bangos efektu.
Nors gravitacines bangas numato bendra Einšteino reliatyvumo teorija ir kitos gravitacijos teorijos, jos niekada nebuvo tiesiogiai aptiktos. Taip yra visų pirma dėl jų ypatingo mažumo. Tačiau astronomijoje yra netiesioginių įrodymų, galinčių patvirtinti šį poveikį. Taigi, dvigubų žvaigždžių konvergencijos pavyzdyje galima pastebėti gravitacinės bangos poveikį. Stebėjimai patvirtina, kad dvigubų žvaigždžių konvergencijos greitis tam tikru mastu priklauso nuo šių kosminių objektų energijos praradimo, kuris, kaip manoma, išleidžiamas gravitacinei spinduliuotei. Netolimoje ateityje mokslininkai galės patikimai patvirtinti šią hipotezę naudodami naujos kartos Advanced LIGO ir VIRGO teleskopus.
Šiuolaikinėje fizikoje yra dvi mechanikos sąvokos: klasikinė ir kvantinė. Kvantinė mechanika buvo sukurta palyginti neseniai ir iš esmės skiriasi nuo klasikinės mechanikos. Kvantinėje mechanikoje objektai (kvantai) neturi apibrėžtų padėčių ir greičių, viskas čia pagrįsta tikimybe. Tai yra, objektas tam tikru laiko momentu gali užimti tam tikrą vietą erdvėje. Kur jis persikels toliau, negalima patikimai nustatyti, bet tik su didele tikimybe.
Įdomus gravitacijos poveikis yra tas, kad ji gali sulenkti erdvės ir laiko kontinuumą. Einšteino teorija teigia, kad erdvėje aplink krūvą energijos ar bet kokios materialios medžiagos erdvėlaikis yra išlenktas. Atitinkamai keičiasi dalelių, kurios patenka į šios medžiagos gravitacinio lauko įtaką, trajektorija, o tai leidžia numatyti jų judėjimo trajektoriją su didele tikimybe.
Gravitacijos teorijos
Šiandien mokslininkai žino daugiau nei tuziną skirtingų gravitacijos teorijų. Jos skirstomos į klasikines ir alternatyviąsias teorijas. Žymiausias pirmosios atstovas yra klasikinė Izaoko Niutono gravitacijos teorija, kurią 1666 m. išrado garsus britų fizikas. Jo esmė slypi tame, kad masyvus kūnas mechanikoje sukuria aplink save gravitacinį lauką, kuris pritraukia mažesnius objektus. Savo ruožtu pastarieji taip pat turi gravitacinį lauką, kaip ir bet kurie kiti materialūs Visatos objektai.
Kitą populiarią gravitacijos teoriją XX amžiaus pradžioje išrado pasaulinio garso vokiečių mokslininkas Albertas Einšteinas. Einšteinas sugebėjo tiksliau apibūdinti gravitaciją kaip reiškinį, taip pat paaiškinti jos veikimą ne tik klasikinėje mechanikoje, bet ir kvantiniame pasaulyje. Jo bendroji reliatyvumo teorija apibūdina jėgos, tokios kaip gravitacija, gebėjimą paveikti erdvės ir laiko kontinuumą, taip pat elementariųjų dalelių trajektoriją erdvėje.
Iš alternatyvių gravitacijos teorijų, ko gero, didžiausio dėmesio nusipelno reliatyvistinė teorija, kurią išrado mūsų tautietis, garsus fizikas A.A. Logunovas. Skirtingai nei Einšteinas, Logunovas teigė, kad gravitacija yra ne geometrinis, o tikras, gana stiprus fizinis jėgos laukas. Tarp alternatyvių gravitacijos teorijų žinomos ir skaliarinės, bimetrinės, kvazilinijinės ir kitos.
- Kosmose buvusiems ir į Žemę sugrįžusiems žmonėms iš pradžių gana sunku priprasti prie mūsų planetos gravitacinės įtakos stiprumo. Kartais tai trunka kelias savaites.
- Įrodyta, kad nesvarumo būsenoje žmogaus kūnas gali prarasti iki 1% masės kaulų čiulpai per mėnesį.
- Iš Saulės sistemos planetų Marsas turi mažiausią gravitacijos jėgą, o Jupiteris – didžiausią.
- Žinomos salmonelių bakterijos, sukeliančios žarnyno ligas, aktyviau elgiasi nesvarumo būsenoje ir gali sukelti žmogaus organizmui daug daugiau žalos.
- Tarp visų žinomų astronominių objektų Visatoje juodosios skylės turi didžiausią gravitacijos jėgą. Golfo kamuoliuko dydžio juodoji skylė gali turėti tokią pačią gravitacijos jėgą kaip ir visa mūsų planeta.
- Gravitacijos jėga Žemėje nėra vienoda visuose mūsų planetos kampeliuose. Pavyzdžiui, Kanados Hudsono įlankos regione jis yra mažesnis nei kituose pasaulio regionuose.
Einšteino bendroji reliatyvumo teorija pateikia visuotinai priimtą gravitacijos paaiškinimą. Tačiau bendrasis reliatyvumas turi nemažai problemų, kurios verčia ieškoti alternatyvių gravitacijos teorijų. Tiesą sakant, susiklostė situacija, kad gravitacijos teorijos srityje mokslas yra padalintas į du klanus, kurie tarpusavyje praktiškai nesąveikauja. Rusijos mokslų akademijos akademikas Anatolijus Logunovas pasakoja apie tai, kaip reliatyvistinė gravitacijos teorija kuria pasaulį, modifikuoja bendrosios reliatyvumo dėsnius. 2003-01-21 (kronika 00:46:00)
Darbo medžiagos
Temos apžvalga:
Alternatyvios gravitacijos teorijos. Klasikinė gravitacijos teorija, išreikšta Niutono visuotinės traukos dėsniu, pasirodė esanti ne visai tiksli esant stipriam gravitaciniam laukui. Tačiau tai nė kiek netrukdo jo naudoti tais atvejais, kai jo tikslumas yra pakankamas.
1915 m. Alberto Einšteino sukurta bendroji reliatyvumo teorija (GR) šiandien yra visuotinai pripažinta gravitacijos teorija. Tačiau ji turi nemažai problemų, verčiančių ieškoti alternatyvių gravitacijos teorijų.
Viena iš pagrindinių problemų yra ta, kad savo klasikine forma bendrasis reliatyvumas yra nesuderinamas su kvantines teorijas laukai, apibūdinantys kitas tris pagrindines fizines sąveikas. (Tiesa, pačiame Pastaruoju metu pradėjo gautis pranešimų, kad šia kryptimi buvo pasiekta tam tikrų sėkmių.)
Kita problema yra ta, kad apibūdindama gravitaciją kaip erdvėlaikio kreivumą, bendroji reliatyvumo teorija atsisako erdvės-laiko homogeniškumo savybės, ir būtent šia savybe remiasi energijos tvermės ir impulso dėsniai.
Trečioji bendrosios reliatyvumo teorijos problema taip pat susijusi su energija, šį kartą su paties gravitacinio lauko energija. Norėdami suprasti, kas vyksta, pirmiausia apsvarstykite elektromagnetinį lauką. Būdamas fizinis laukas, jis pats neša energiją ir impulsą. Be to, kiekviename elementariame erdvės tūryje saugoma lauko energija yra proporcinga lauko stiprumo kvadratui. Pasirinkę atskaitos sistemą, galite pakeisti elektrinio ir magnetinio lauko dydį pasirinktame erdvės taške. Pavyzdžiui, pasirinkus atskaitos rėmelį, kuris juda kartu su krūviu, jo magnetinį lauką galima sumažinti iki nulio. Tačiau joks atskaitos sistemos pasirinkimas negali visiškai sunaikinti elektromagnetinio lauko taške, kuriame, kitos atskaitos sistemos požiūriu, jis nėra lygus nuliui. Grįžkime prie gravitacinio lauko. Bendrosios reliatyvumo teorijos pagrindas yra minties eksperimentas su liftu, krentnčiu į gravitacinį lauką. Teigiama, kad stebėtojas lifte negalės atskirti kritimo gravitaciniame lauke ir buvimo už bet kokių laukų. Tai yra, laisvai krintančio stebėtojo atskaitos sistemoje gravitacinis laukas yra visiškai panaikintas. Iš to išplaukia, kad bendrosios reliatyvumo teorijos gravitacinis laukas nėra įprastas fizinis laukas, turintis tam tikrą energijos tankį erdvėje. Pasirinkus atskaitos sistemą, galima pakeisti jos energijos erdvinį pasiskirstymą. Šia prasme jie kalba apie gravitacinio lauko energijos nelokalumą bendrojoje reliatyvumo teorijoje. Daugelis astrofizikos srities ekspertų mano, kad tai reikšmingas bendrosios reliatyvumo teorijos trūkumas. Tuo pačiu metu daugelis bendrojo reliatyvumo specialistų paprastai atmeta šį teiginį.
Galiausiai, bene didžiausias skundas prieš bendrąjį reliatyvumą yra tas, kad ji leidžia atsirasti juodosioms skylėms, kurių centre yra fizinis singuliarumas. Dauguma fizikų yra įsitikinę, kad begalybės atsiradimas fizikinėje teorijoje reiškia peržengti jos pritaikymo ribas.
Tai, kad išvardintos problemos reikalauja sprendimų, yra akivaizdu kiekvienam. Skirtingos specialistų grupės šiuo klausimu bando eiti skirtingais keliais. Tačiau visus juos sąlyginai galima suskirstyti į dvi grupes – tuos, kurie tęsia paieškas vadovaudamiesi geometriniu požiūriu, kuris sudaro Bendrosios reliatyvumo teorijos pagrindą, ir tuos, kurie atsisako susieti gravitacinį lauką su erdvės ir laiko geometrija.
Kadangi pirmoji kryptis yra plačiau atstovaujama šiuolaikinėje mokslo bendruomenėje, antruoju keliu sukurtos teorijos bendrai vadinamos alternatyviomis gravitacijos teorijomis. Tarp žinomiausių alternatyvių gravitacijos teorijų yra A. A. Logunovo reliatyvistinė gravitacijos teorija (RTG). Sankt Peterburgo universitete Yu. V. Baryshevas kuria lauko gravitacijos teoriją (FTG).
Deja, pastaraisiais metais gravitacijos teorijos srityje susiklostė gana nesveika situacija. Tyrėjai, kurie ir toliau dirba pagal bendrąjį reliatyvumą, praktiškai ignoruoja darbą alternatyvių gravitacijos teorijų srityje, motyvuodami tuo, kad iki šiol visus pastebėtus faktus galima paaiškinti bendrosios reliatyvumo teorijos pagrindu. Tuo tarpu jų darbas vis labiau pereina į grynosios matematikos sritį ir tampa vis mažiau prieinamas eksperimentiniam patikrinimui.
Tikriausiai taip yra dėl to, kad dar visai neseniai stebėjimai neleido rinktis iš skirtingų gravitacijos teorijų versijų. Klasikiniai reliatyvistiniai efektai, tokie kaip šviesos spindulių lenkimas Saulės gravitaciniame lauke arba Merkurijaus perihelio poslinkis, visos šios teorijos apibūdina taip pat ir, pirmiausia, taip pat, kaip ir bendroji reliatyvumo teorija. Skirtumai atsiranda stipresniuose laukuose. O stebėti jų apraiškas tampa įmanoma tik mūsų dienomis.
Vienas iš perspektyviausių naujos kartos gravitacijos teorijų testavimo objektų yra garsusis pulsaras PSR1913+30. Šioje artimoje dviejų neutroninių žvaigždžių poroje dėl gravitacinių bangų spinduliavimo turi būti labai dideli energijos nuostoliai. Be to, skirtingos gravitacijos teorijos numato skirtingą energijos praradimo greitį. Per ateinančius kelerius metus, remiantis bandymų rezultatais šioje įstaigoje, kai kurios teorijos turės pasitraukti.
Palaipsniui bendrasis reliatyvumas susiduria su problemomis kosmologiniame fronte. Duomenys apie rutulio amžių žvaigždžių spiečius sunku tilpti į teorijai skirtus terminus Didysis sprogimas, remiantis bendruoju reliatyvumu. Didžiojo sprogimo teorija numato, kad didelio masto materijos pasiskirstymas Visatoje turėtų būti vienodas. Pastaraisiais metais mastas, nuo kurio turėtų būti stebimas homogeniškumas, nuolat didėjo spaudžiant stebėjimų duomenims.
Ne viskas klostosi sklandžiai ir alternatyvoms. Tačiau jų problemos slypi kiek kitoje plotmėje. Faktas yra tas, kad be gana rimtų tyrėjų, kuriančių alternatyvias gravitacijos teorijas, yra daugybė didesnis skaičius mėgėjai, kurie, nesugebėję suprasti labai nebanalaus bendrosios reliatyvumo matematinio aparato, pradeda kurti savo teorijas, vadindami jas alternatyviomis. Dažnai šios figūros turi mokslinius laipsnius (daugiausia gautos tose srityse, kurios yra toli nuo gravitacijos teorijos), todėl jos įtraukiamos į mokslo ratus. Jie siunčia straipsnius į mokslinius žurnalus, kalba konferencijose, leidžia knygas apie savo pačių užaugintas teorijas, kurių trūkumai (jei apskritai galima kalbėti apie trūkumus) yra neproporcingi aukščiau išdėstytiems teiginiams prieš bendrąjį reliatyvumą.
Deja, daugeliui bendrosios reliatyvumo teorijos šalininkų tokios teorijos atrodo taip pat, kaip gana rimti tyrimai alternatyvių gravitacijos teorijų srityje. Tiesą sakant, susidarė situacija, kai galioja Bendrosios reliatyvumo teorijos neklystamumo dogma (bent jau geometrinis požiūris, kuriuo ji grindžiama). Pasirodo, gravitacijos teorijos srityje mokslas yra padalintas į du klanus, kurie tarpusavyje praktiškai nesąveikauja. Ši situacija, žinoma, atrodo liūdna. Belieka tikėtis, kad sparčiai besikaupiantys nauji astronominiai duomenys artimiausioje ateityje privers šiuos du klanus susisiekti.
Medžiaga programai:
Iš A. A. Logunovo straipsnių apie reliatyvistinę gravitacijos teoriją.
Reliatyvistinė gravitacijos teorija įveikia sunkumus, su kuriais susiduria bendroji reliatyvumo teorija. Naujoji teorija remiasi pagrindiniais materijos išsaugojimo dėsniais ir gravitacinio lauko, kaip Faradėjaus-Maksvelo tipo fizikinio lauko, samprata. Jame paaiškinami visi žinomi stebėjimo ir eksperimentiniai duomenys apie gravitaciją ir pateikiamos naujos idėjos apie Visatos vystymąsi, gravitacinį žlugimą, erdvę ir laiką.
Visi puikiai žino, kad mus supančios erdvės geometrija yra euklido. Jis buvo atrastas atliekant stebėjimus, o prieš daugiau nei 2 tūkstančius metų jį suformulavo Euklidas postulatų ir aksiomų pavidalu. Postulatai ir aksiomos, kuriais grindžiama Euklido geometrija, yra akivaizdūs teiginiai, priimti be įrodymų. Jie tokie natūralūs, kad buvo sukurtas beveik absoliutus įsitikinimas šios geometrijos unikalumu. Geometrai įdėjo daug pastangų, kad sumažintų postulatų ir aksiomų skaičių, sumažintų juos iki minimumo. Tai buvo pasiekta, kai kai kurie iš jų buvo pašalinti iš kitų. Matematikai įdėjo daug pastangų, kad atsikratytų penktojo postulato (per tašką, esantį už nurodytos linijos ribų, galite nubrėžti tik vieną liniją, lygiagrečią jam), tačiau jiems to nepavyko padaryti, nors geometrai šią problemą tiria daugiau nei 2 tūkstantį metų.
Spartaus mechanikos, kaip kūnų judėjimo mokslo, raidos pradžia siekia XVII amžiaus vidurį. To laikotarpio mechanika buvo eksperimentinis mokslas. Apibendrinęs milžinišką eksperimentinių duomenų kiekį, I. Niutonas suformulavo tris savo garsiuosius dinamikos ir gravitacijos dėsnius. Tai leido išspręsti daugybę to meto kūnų judėjimo problemų. Euklido geometrija buvo įkūnyta Niutono dėsniuose. Iš esmės nuo šio momento mechaninių reiškinių tyrimas tapo ne tik Niutono dėsnių, bet ir Euklido geometrijos išbandymu. Tačiau tuo metu tai dar nebuvo suvokta, nes nebuvo jokių abejonių dėl Euklido geometrijos, dėl jo, kaip loginės schemos, unikalumo. Ir tik XIX a. N.I. Lobačevskis, tyrinėdamas penktojo postulato problemą Euklido geometrijoje, priėjo prie išvados, kad būtina jį pakeisti nauju postulatu: per tašką, esantį už tiesės plokštumoje, praeina bent dvi tiesės, kurios to nesikerta. vienas.
Jo tikslas buvo sukurti geometriją remiantis nauja sistema postulatai ir aksiomos. Šios programos įgyvendinimas paskatino Lobačevskį atrasti neeuklido geometriją. Lobačevskis padarė didžiausias atradimas, tačiau amžininkai, net ir didieji mokslininkai, ne tik jo nesuprato, bet ir užėmė priešišką poziciją. Vėliau Lobačevskio tyrimai buvo postūmis konstruoti kitas geometrijas. Tapo aišku, kad geometrijų, kaip loginių sistemų, galima sukonstruoti be galo daug, ir tik patirtis gali nuspręsti, kuri iš jų realizuojama mus supančiame pasaulyje. Šiuolaikinėje matematinėje kalboje geometrijos struktūrą visiškai nurodo atstumo tarp gretimų be galo artimų taškų kvadrato išraiška. IN Dekarto koordinatės Euklido erdvėje tokio atstumo kvadratas turi tokią formą: dll = dxx + dyy + dzz.
Čia dx, dy, dz yra koordinačių diferencialai. Tiesą sakant, tai yra ne kas kita, kaip Pitagoro teorema trimatės erdvės atveju, jei remsimės Euklido postulatais ir aksiomomis. Ši lygybė gali būti naudojama kaip Euklido geometrijos apibrėžimo pagrindas. Jei jame naudotume ne Dekarto koordinates, o kai kurias kitas kreivines (pavyzdžiui, sferines, cilindrines ir pan.), tai atstumo tarp gretimų taškų šiose koordinatėse kvadratas (žymime jas xi) būtų tokia forma: dll = ?ik(x)dxidxi. Ši žymėjimo forma matematinėje kalboje reiškia sumavimą per tuos pačius indeksus i ir k (i, k = 1, 2. 3). Dydis ?ik lemia geometrijos struktūrą ir vadinamas metriniu Euklido erdvės tenzoriumi. Euklido geometrija turi svarbiausias turtas: joje visada galima visoje erdvėje įvesti globalias Dekarto koordinates, kuriose tik metrinio tenzoriaus įstrižainės komponentai, visi lygūs vienetui, yra nuliniai. Tai reiškia, kad Euklido erdvė yra „plokščia“, arba, kitaip tariant, kreivumas kiekviename taške yra lygus nuliui.
B. Riemannas, plėtodamas N. I. Lobačevskio ir K. F. Gauso idėją, įvedė specialią geometrijų klasę, vadinamą Riemanno, kurios su euklidinėmis sutampa tik be galo mažoje srityje. Jis taip pat apibendrino pagrindinę erdvės kreivumo sampratą. Riemanno geometrijoje atstumo tarp dviejų gretimų taškų kvadratas taip pat rašomas forma dll = ?ik (x)dxidxk, vienintelis esminis skirtumas, kad joje nėra vienodų Dekarto koordinačių visoje erdvėje, kurioje metrinis tenzorius būtų pastovus visur ir būtų įstrižainės formos. Tai reiškia, kad Riemanno erdvėje kreivumas visada yra nulis, o jo reikšmė priklauso nuo erdvės taško.
Kokia geometrija vyksta gamtoje? Atsakymą į šį klausimą galima gauti tik remiantis patirtimi, tai yra, tyrinėjant gamtos reiškinius. Nors fizikoje susidūrėme su palyginti mažais greičiais, patirtis patvirtino, kad mūsų erdvės geometrija yra euklido, o tokios sąvokos kaip „ilgis“ ir „laikas“ yra absoliučios ir nepriklauso nuo atskaitos sistemos. Tiriant elektromagnetinius reiškinius, taip pat dalelių judėjimą greičiu, artimu šviesos greičiui, atsirado nuostabus atradimas: erdvė ir laikas sudaro vieną kontinuumą; Atstumo tarp dviejų artimų taškų (įvykių) vaidmenį atlieka dydis, vadinamas intervalu. Intervalo kvadratas Dekarto koordinatėmis nustatomas pagal lygybę: dss = ccdTT - dxx - dyy - dzz. Čia c yra šviesos greitis; T - laikas. Tokiu intervalu apibrėžta geometrija vadinama pseudoeuklido ir keturmatė erdvė su tokia geometrija – Minkovskio erdvė. Intervalo dss kvadratas gali būti teigiamas, neigiamas arba nulis. Šis skirstymas yra absoliutus. Laikas ir koordinatės į intervalą patenka beveik vienodai (kvadratais), vienintelis esminis skirtumas yra tas, kad jie turi skirtingus ženklus. Tai atspindi gilų skirtumą tarp tokių fizinės sąvokos, pavyzdžiui, „ilgis“ ir „laikas“. Intervalo dydis nepriklauso nuo atskaitos kadro, o laikas ir ilgis nebėra absoliučios sąvokos, jie yra santykiniai ir priklauso nuo atskaitos sistemos pasirinkimo.
dss intervalas turi ta pati išvaizda begalinėje atskaitos sistemų klasėje, judančių viena kitos atžvilgiu pastoviu greičiu, mažesniu už šviesos greitį. Tokios atskaitos sistemos yra inercinės, nes jose tenkina inercijos dėsnis. Transformacijos iš vienos inercinės sistemos į kitą, išsaugant intervalo formą, vadinamos Lorenco transformacijomis. Inercinių atskaitos sistemų klasėje suformuluotą dss intervalu pagrįstą teoriją A. Einšteinas pavadino specialiąja reliatyvumo teorija. Šis ribotas specialiojo reliatyvumo supratimas plačiai paplito ir persmelkė beveik visus vadovėlius. Tačiau sąvokos, kuriomis grindžiama specialioji reliatyvumo teorija, tiksliai galioja pagreitintoms atskaitos sistemoms.
Kadangi Minkovskio erdvė yra vienalytė ir izotropinė, tai matematikos kalba joje yra maksimali dešimties parametrų judėjimo grupė (keturių parametrų grupė vertimų ir šešių parametrų grupė sukimosi), taigi, galios išsaugojimo dėsniai. joje vyksta atitinkamai energija – impulsas ir kampinis momentas. Tai reiškia, kad visada galite rasti naujų kintamųjų x*, kurie yra senų kintamųjų x funkcijos, kad pereinant prie jų intervalas visiškai išlaikytų savo formą: dss = ?ik(x*)dx*idx*k. Čia naujuose kintamuosiuose x* visi metrinio tensor?ik(x*) komponentai yra tokie patys kaip ir anksčiau. Taigi intervalo formos invariacija Minkovskio erdvėje atsiranda ne tik inercinių atskaitos sistemų klasei, bet ir savavališkai pasirinktai pagreitintų atskaitos sistemų klasei. Ši Minkovskio erdvės savybė suformuluota kaip apibendrintas reliatyvumo principas: „Kad ir kokią fizikinę atskaitos sistemą pasirinktume (inercinę ar neinercinę), visada galime nurodyti begalinį kitų sistemų rinkinį – tų, kuriose visi fiziniai reiškiniai (įskaitant ir gravitacinius). ). neperžengti specialiosios reliatyvumo teorijos rėmų . Šis principas toliau bus reliatyvistinės gravitacijos teorijos pagrindas, apie kurį bus kalbama vėliau. Kol kas kreipiamės į Einšteino sukurtą gravitacijos teoriją. Aptarkime pagrindinius jos principus ir sunkumus.
Pagreitis, kurį patiria laisvasis materialus taškas neinercinėje atskaitos sistemoje, išreiškiamas per pirmąsias metrinės tensor?ik išvestines koordinačių ir laiko atžvilgiu. Tai atspindi inercinių jėgų, kurios sukelia pagreitį, nepriklausomą nuo kūno masės, universalumą. Gravitacinės jėgos turi lygiai tokią pačią savybę, nes, kaip rodo patirtis, kūno gravitacinė masė yra lygi jo inercinei masei. Laikydamas inercinių ir gravitacinių masių lygybę kaip esminį faktą, Einšteinas priėjo prie išvados, kad gravitacinis laukas, kaip ir inercinės jėgos, turi būti aprašytas metriniu tenzoriumi. Tai reiškia, kad gravitaciniam laukui būdingas ne vienas skaliarinis potencialas, o dešimt funkcijų, kurios yra metrinio tenzoriaus komponentai. Tai buvo svarbiausias žingsnis suprasti gravitacijos jėgas, kurios leido Einšteinui po daugelio metų bandymų sukurti gravitacijos teoriją iškelti mintį, kad erdvėlaikis yra ne pseudoeuklido, o pseudo-Riemano (ateityje tiesiog pasakysime Riemannian).
Einšteinas sutapatino gravitacinį lauką su Riemano erdvės metriniu tenzoriumi. Ši idėja leido D. Hilbertui ir A. Einšteinui gauti lygtis gravitaciniam laukui, tai yra metrinei Riemano erdvės tenzoriui. Tokiu būdu buvo sukurta bendroji reliatyvumo teorija (GR).
Einšteino prognozė apie šviesos spindulio nukreipimą Saulės lauke, o vėliau eksperimentinis šio efekto patvirtinimas, taip pat Merkurijaus perihelio poslinkio paaiškinimas tapo tikru Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos triumfu. . Tačiau, nepaisant sėkmės, GTO beveik nuo pat gimimo susidūrė su sunkumais.
E. Schrödingeris 1918 metais parodė, kad tinkamai parinkus koordinačių sistemą, visus komponentus, charakterizuojančius gravitacinio lauko energijos impulsą, esantį už sferiškai simetriško kūno ribų, galima sumažinti iki nulio.Iš pradžių šis rezultatas Einšteinui atrodė stebinantis, bet po to. Analizė jis atsakė taip: „Kalbant apie Schrödingerio samprotavimus, jų įtikinamumas slypi analogijoje su elektrodinamika, kurioje bet kurio lauko įtampos ir energijos tankis yra nuliniai. Tačiau nerandu priežasties, kodėl tas pats turėtų būti taikoma ir gravitaciniams laukams. Gravitacijos laukus galima nustatyti neįvedant įtampos ir energijos tankio. Arba dar kartą: „... be galo mažoje srityje koordinates visada galima pasirinkti taip, kad joje nebūtų gravitacinio lauko“.
Matome, kad Einšteinas sąmoningai nutolo nuo klasikinės lauko kaip materialios substancijos sampratos, kurios net lokaliai niekada negalima sunaikinti pasirinkus atskaitos sistemą, ir tai padarė vardan vietinio jėgų lygiavertiškumo principo. inercijos ir gravitacijos, kurią jis iškėlė į pagrindinio principo rangą, nors fizinė tam nebuvo ir nėra jokios priežasties. Visa tai paskatino idėją, kad erdvėje neįmanoma lokalizuoti gravitacinės energijos.
Kitas sunkumas, susijęs su ankstesniu, susijęs su energijos tvermės ir impulso dėsnių formulavimu. Pirmiausia tai atkreipė dėmesį D. Gilbertas. 1917 m. jis rašė: „Aš tvirtinu... kad bendrajai reliatyvumo teorijai, t. y. bendrosios Hamiltono funkcijos nekintamumo atveju, energijos lygtys, kurios... atitinka energetines lygtis ortogoniškai invariantinėse teorijose (tai reiškia lauko teoriją). Minkowski erdvė ), iš viso neegzistuoja. Šią aplinkybę galėčiau net pažymėti kaip būdingas bruožas bendroji reliatyvumo teorija“. Deja, šio Hilberto teiginio jo amžininkai nesuprato, nes nei pats Einšteinas, nei kiti fizikai nesuprato, kad bendrojoje reliatyvumo teorijoje energijos tvermės ir momento momento dėsniai iš esmės neįmanomi.
Tačiau Einšteinas aiškiai suprato esminę materijos energijos – impulso ir gravitacinio lauko tvermės dėsnių reikšmę, todėl visai neketino jų atsisakyti. 1918 m. jis atliko bendrosios reliatyvumo teorijos tyrimą, kuriame, kaip jis rašė, „energijos ir impulso sąvokos yra nustatytos taip pat aiškiai, kaip ir klasikinėje mechanikoje“. Tais pačiais metais F. Kleinas patvirtino Einšteino rezultatus. Nuo tada pristatant šį klausimą Einšteinu buvo vadovaujamasi tiesiogine prasme. Atrodytų, kad problema buvo visiškai išspręsta, o Einšteinas prie jos nebegrįžo. Tačiau kruopšti analizė rodo, kad Einšteino ir Kleino samprotavimuose yra paprasta, bet esminė klaida, kurios esmė slypi tame, kad J? reikšmė, kurią Einšteinas savo samprotavimuose panaudojo identifikuodamas jos komponentus su energija ir impulsu, yra tiesiog. lygus nuliui. Einšteinui nebuvo lemta suprasti, kad GTR priėmimas būtinai veda prie pagrindinių išsaugojimo įstatymų atmetimo, o pastarieji, kaip parodėme, tiesiogiai leidžia daryti išvadą, kad inercinė kūno masė (kaip apibrėžta GTR) nėra lygus jo aktyviajai gravitacinei masei. Bet tai reiškia, kad bendroji reliatyvumo teorija negali paaiškinti eksperimentinio šių masių lygybės fakto, tačiau Einšteinas manė, kad būtent šis faktas buvo jo teorijos pasekmė. Tačiau paaiškėjo, kad taip nėra. Pagrindinė priežastis, kodėl GTR nėra išsaugojimo įstatymų, yra ta, kad Riemanno geometrijoje apskritai nėra erdvės judėjimo grupės, taigi ir erdvės-laiko simetrijos, vedančios į išsaugojimo dėsnius. Ir nors pastarasis buvo nepaprastai akivaizdus matematikams, o fizikai, matyt, apie tai žinojo, vis dėlto gilus gamtosaugos dėsnių matematinės kilmės supratimas neleido mums padaryti vienintelio dalyko. teisinga išvada kad bendrojoje reliatyvumo teorijoje negali būti gamtosaugos dėsnių. Einšteino ir Kleino darbai, apie kuriuos rašėme aukščiau, sukūrė iliuzinį pasitikėjimą bendrosios reliatyvumo teorijos išsaugojimo dėsnių buvimu. Šis pasitikėjimas išlieka ir šiandien. Riemanno geometrijos aparatas dėl savo grakštumo ir grožio taip sužavėjo gravitacijos srityje dirbančius fizikus, kad beveik visiškai atskyrė juos nuo fizinės tikrovės.
Fizinės reikšmės suteikimas matematinėms konstrukcijoms be fizinių idėjų yra labai abejotina veikla, tačiau mūsų laikais plačiai paplitusi. Taigi, bendrosios reliatyvumo sampratos priėmimas veda į daugelio pagrindinių fizikos principų atmetimą. Pirma, tai yra energijos, impulso ir materijos kampinio impulso bei gravitacinio lauko išsaugojimo dėsnių atmetimas. Antra, atsisakymas pavaizduoti gravitacinį lauką kaip klasikinį Faradėjaus-Maksvelo tipo lauką, turintį energijos impulso tankį. Daugeliui fizikų, dalyvaujančių bendrojoje reliatyvumo teorijoje, tai vis dar neaišku, o kiti linkę laikyti išsaugojimo dėsnių atmetimą kaip didžiausias pasiekimas teorija, kuri panaikino tokią sąvoką kaip „energija“. Tačiau nei makro-, nei mikrokosmose nėra nė vieno eksperimentinio fakto, kuris tiesiogiai ar netiesiogiai suabejotų materijos tvermės dėsnių pagrįstumu. Todėl būtume pernelyg nerimti, jei sąmoningai atsisakytume šių įstatymų be tinkamo eksperimentinio pagrindo. Be gamtosaugos įstatymų teorija negali būti patenkinama. Bendrosios reliatyvumo teorijos atmetimą diktuoja ir fizinių sąvokų logika, ir eksperimentiniai faktai.
Kredito suteikimas bendrajam reliatyvumui kaip tam tikram svarbus etapas tiriant gravitaciją galima nubrėžti reliatyvistinės gravitacijos teorijos principų esmę, pagrįstą pagrindiniais išsaugojimo dėsniais.
Reliatyvistinė gravitacijos teorija (RTG) remiasi šiais fiziniais reikalavimais. Teoriškai turi būti griežtai laikomasi materijos ir gravitacinio lauko energijos, impulso ir kampinio momento išsaugojimo dėsnių. Medžiaga reiškia visas materijos formas (įskaitant elektromagnetinį lauką), išskyrus gravitacinę medžiagą. Išsaugos dėsniai atspindi bendras dinamines medžiagos savybes ir leidžia nustatyti vienodas įvairių formų charakteristikas. Bendrosios dinaminės materijos savybės yra įkūnytos erdvės-laiko geometrijos struktūroje. Jis būtinai pasirodo esąs pseudoeuklidiškas (kitaip tariant, teorija konstruojama Minkovskio erdvėje). Taigi, geometrija nėra nurodyta susitarimu, kaip tikėjo Puankarė, bet yra vienareikšmiškai nulemta gamtosaugos dėsnių. Minkovskio erdvėje, kaip jau minėta, yra keturių parametrų vertimų ir šešių parametrų pasukimų grupė. Ši pozicija radikaliai išskiria RTG nuo bendrosios reliatyvumo teorijos ir visiškai pašalina mus iš Riemanno geometrijos. Gravitacinis laukas apibūdinamas simetriniu tenzoriumi ir yra tikras fizinis laukas su energijos ir impulso tankiu. Jei dalelės (lauko kvantai) yra susietos su šiuo lauku, tada jų ramybės masė turėtų būti nulinė, nes gravitacinė sąveika yra toli. Šiuo atveju realūs ir virtualūs gravitacinio lauko kvantai gali turėti būsenas su sukimais 2 ir 0.
Šis gravitacinio lauko apibrėžimas grąžina jam fizinę tikrovę, nes pasirinkus atskaitos sistemą jo nebegalima net lokaliai sunaikinti, todėl tarp gravitacinio lauko ir inercijos jėgų nėra (net lokalaus) ekvivalentiškumo. Šis fizinis reikalavimas iš esmės skiria RTG nuo bendrosios reliatyvumo teorijos. Einšteinas bendrojoje reliatyvumo teorijoje gravitaciją tapatino su metriniu Riemanno erdvės tenzoriumi, tačiau šis kelias lėmė gravitacinio lauko, kaip fizinio lauko, sampratos praradimą, taip pat išsaugojimo dėsnių praradimą. Šios GTR nuostatos atmetimą pirmiausia lemia noras išsaugoti šias pagrindines fizines sąvokas gravitacijos teorijoje.
Maksvelo elektromagnetinio lauko ir RTG lygčių sistema. Jų panašumas atspindi vieną iš pagrindinių RTG nuostatų, pagal kurias gravitacinis laukas yra laikomas fizikiniu lauku, turinčiu energijos tankį ir impulsą, vietoj to į teoriją įvedamas geometrizavimo principas, esmė. kuri yra tokia: gravitacinio lauko sąveika su materija dėl jos universalumo aprašoma tenzorinį gravitacinį lauką Фik sujungiant su Minkovskio erdvės metriniu tenzor?ik. Tai visada galima padaryti, nes nesvarbu, kokią materijos formą pasirinksime, jos pradinės fizinės lygtys apims metrinį Minkovskio erdvės tenzorių. Kitaip ir būti negali, nes fiziniai procesai vyksta laike ir erdvėje.
Anot Einšteino, materijos judėjimas vyksta Riemanno erdvėlaikyje, tačiau bendrojoje reliatyvumo teorijoje Minkovskio erdvės nėra. Pagal geometrizavimo principą materija juda Minkovskio erdvėje veikiama gravitacinio lauko. Toks judėjimas iš tiesų prilygsta judėjimui kokioje nors „efektyvioje“ Riemanno erdvėje. Atrodo, kad gravitacinis laukas keičia likusių laukų geometriją. Minkovskio erdvės buvimas RTG leidžia mums laikyti gravitacinį lauką įprastu fiziniu lauku Faradėjaus-Maxwello dvasia su įprastomis energijos-momento nešėjo savybėmis.
Taigi ne konkrečios fizikinės materijos judėjimo apraiškos, o jos bendriausios dinaminės savybės lemia geometrijos struktūrą, kuri turėtų būti fizinės teorijos pagrindas. Reliatyvistinėje gravitacijos teorijoje (RTG) geometrija nustatoma ne remiantis šviesos ir bandomųjų kūnų judėjimo tyrimais, o bendromis dinaminėmis materijos savybėmis – jos išsaugojimo dėsniais, kurie yra ne tik esminės svarbos, bet ir eksperimentiškai patikrinama. Šiuo atveju šviesos ir bandomųjų kūnų judėjimas yra dėl paprasto gravitacinio lauko poveikio materijai Minkovskio erdvėje. Taigi Minkovskio erdvė ir gravitacinis laukas yra pirminės, pirminės sąvokos, o „efektyvioji“ Riemanno erdvė yra antrinė sąvoka dėl savo kilmės gravitacinio lauko ir jo universalus veiksmas apie esmę. Pati geometrizavimo principo esmė slypi inercinių jėgų ir gravitacinių laukų atskyrime. Tačiau šis atskyrimas gali būti fiziškai realizuotas tik tada, kai Minkovskio erdvės metrinis tenzorius įtraukiamas į gravitacinio lauko lygtis. GTR, kaip galima lengvai matyti tiesiogiai iš Hilberto-Einšteino lygčių, toks atskyrimas neįmanomas, nes Riemanno geometrijoje, kuria grindžiamas GTR, nėra Minkovskio erdvės sampratos. Todėl, pavyzdžiui, teiginiai, kad remiantis Minkovskio erdvės sąvokomis galima gauti bendrąjį reliatyvumą, yra klaidingi. Pagal geometrizavimo principą, viena vertus, Einšteino idėja identifikuoti gravitaciją su Riemanno erdvės metriniu tenzoriumi yra visiškai atmesta, o kita vertus, Einšteino idėja apie Rimano geometriją yra išplėtota. Jei erdvė-laikas yra visiškai nulemtas metrinio tenzorio, tai materijai būdingas jos energijos-impulso tenzorius. Kiekvienai materijos formai ji turi savo specifinę išvaizdą. Bendras materijos energijos ir impulso tenzorius ir gravitacinis laukas Minkovskio erdvėje yra konservuotas tenzorius. Dėl universalaus gravitacijos pobūdžio ji turėtų būti gravitacinio lauko šaltinis RTG lygtyse. Visą reliatyvistinės gravitacijos teorijos lygčių sistemą galima formaliai gauti iš Maksvelo elektrodinamikos lygčių, jei vietoj vektorinio elektromagnetinio lauko kairėje lygčių pusėje įdėsime tenzorinį gravitacinį lauką, o išlikusią elektromagnetinę srovę pakeisime visos materijos energijos-momento tenzorius.
Žinoma, tokia išvada yra tiesiog euristinė priemonė ir jokiu būdu negali pretenduoti į griežtą. Tačiau tikslus svarstymas, pagrįstas anksčiau nurodytais RTG principais kartu su vietinio gabarito invariancija, vienareikšmiškai lemia tokią 14 gravitacinių lygčių sistemą. Keturios papildomos RTG lauko lygtys nustato fizinė struktūra gravitacinį lauką ir iš esmės atskirti viską, kas susiję su inercijos jėgomis, nuo visko, kas susiję su gravitaciniu lauku.
Likusios dešimt lygčių sutampa su Hilberto-Einšteino lygtimis, vienintelis esminis skirtumas, kad lauko kintamieji jose yra Minkovskio koordinačių funkcijos. Tai visiškai pakeičia jų fizinį turinį ir išskiria juos iš bendrųjų reliatyvumo lygčių. Visos lygtys paprastai yra kovariacinės, tai yra, jos turi tą pačią formą visuose Minkovskio erdvės atskaitos rėmuose ir aiškiai apima šios erdvės metrinį tenzorių. Tai reiškia, kad Minkovskio erdvė atsispindi ne tik gamtosaugos dėsniuose, bet ir fizikinių reiškinių aprašyme. Visi lauko komponentai (elektromagnetiniai, gravitaciniai ir kt.) mūsų teorijoje yra Minkovskio erdvės koordinačių funkcijos. Tai yra esminė svarba. Išspręsdami lauko lygčių sistemą, nustatome „efektyviosios“ Riemano erdvės metrinio tenzoriaus priklausomybę tiek nuo Minkovskio erdvės koordinačių, tiek nuo gravitacinės konstantos G. Tinkamas laikas (matuojamas laikrodžiu, judančio su medžiaga) pasirodo, kad priklauso nuo Minkovskio erdvės koordinačių ir gravitacinės konstantos. Taigi tinkamo laiko eigą lemia gravitacinio lauko prigimtis.
Minkovskio erdvės metrinio tenzoriaus buvimas lauko lygtyse leidžia atskirti inercines jėgas nuo gravitacinių ir visais atvejais rasti jų įtaką tam tikriems fizikiniams procesams. Todėl Minkovskio erdvė yra fizinė, todėl stebima.
Jo charakteristikas, jei reikia, visada galima patikrinti tinkamai apdorojant eksperimentinius šviesos signalų ir bandomųjų kūnų judėjimo duomenis „efektyvioje“ Riemanno erdvėje. „Kalbant apie tai, kad tiesė, kaip šviesos spindulys, yra labiau stebima, – vienu metu rašė V. A. Fokas, – tai neturi jokios reikšmės: apibrėžimuose lemiamas ne tiesioginis stebėjimas, o atitikimas gamtai. , bent jau šis atitikimas buvo nustatytas per netiesiogines išvadas.“ Taigi stebimumą reikėtų suprasti ne primityviai, o bendresne ir gilesne prasme kaip adekvatumą gamtai.
Žinoma, RTG jokiu būdu neatmeta galimybės apibūdinti materiją „efektyvioje“ Riemanno erdvėje. RTG lygtyse yra Minkovskio erdvės metrinis tenzorius, todėl visos fizikinius laukus apibūdinančios funkcijos išreiškiamos vienodomis viso Minkovskio erdvės laiko koordinatėmis, pavyzdžiui, Galilėjos (Dekarto) koordinatėmis. Hilberto-Einšteino lygtys kartu su lygtimis, lemiančiomis gravitacinio lauko struktūrą, įgyja naują fizinę reikšmę, tuo tarpu jos keičiasi ir gerokai supaprastėja. Medžiagos energijos impulso ir gravitacinio lauko išsaugojimo dėsniai kartu yra RTG lygčių pasekmės ir atspindi pseudoeuklido erdvės-laiko struktūrą. Iš esmės bendrojoje reliatyvumo teorijoje nėra visko, kas išdėstyta aukščiau, nes Riemanno geometrijoje, kartojame, nėra Minkovskio erdvės sampratos.
Dabar – apie kai kurias fizines RTG pasekmes. XX amžiaus pradžioje A. A. Friedmanas, spręsdamas Hilberto-Einšteino lygtis, darydamas prielaidą, kad medžiagos tankis kiekviename erdvės taške yra vienodas ir priklauso tik nuo laiko (Friedmano vienalytė ir izotropinė Visata), atrado, kad trys ne modeliai. -įmanoma stacionari Visata ( Friedmanno Visatos modeliai). Kiekvieną Visatos tipą lemia santykis tarp medžiagos tankio tam tikru momentu ir vadinamojo kritinio tankio, nustatyto remiantis Hablo konstantos matavimais. Jei materijos tankis yra didesnis nei kritinis, tai Visata yra uždara ir turi ribotą tūrį, bet neturi ribų. Jei materijos tankis yra mažesnis arba lygus kritiniam tankiui, tai Visata yra begalinė.
Į klausimą, kuris iš šių modelių realizuojamas gamtoje, Bendroji reliatyvumo teorija iš esmės negali duoti konkretaus atsakymo. Anot RTG, Friedmanno vienalytė ir izotropinė Visata yra begalinė, ir ji gali būti tik plokščia – jos trimatė geometrija yra euklidinė. Šiuo atveju materijos tankis Visatoje yra tiksliai lygus kritiniam tankiui. Taigi, RTG prognozuoja, kad Visatoje turėtų būti „paslėptos masės“, kurios tankis yra beveik 40 kartų didesnis nei šiandien stebimas materijos tankis.
Kita svarbi RTG pasekmė – teiginys, kad bendras materijos energijos tankis ir gravitacinis laukas Visatoje turi būti lygūs nuliui.
RTG prognozė dėl Friedmanno vienalytės ir izotropinės Visatos raidos labai skiriasi nuo Bendrosios reliatyvumo teorijos išvadų. Be to, iš bendrosios reliatyvumo teorijos išplaukia, kad objektai, kurių masė viršija tris Saulės mases, turi būti neribotą laiką suspausti gravitacinių jėgų (griūti) per ribotą tinkamo laiko laikotarpį ir pasiekti begalinį tankį. Tokio tipo objektai vadinami juodosiomis skylėmis. Jie neturi materialaus paviršiaus, todėl į juodąją skylę patenkantis kūnas, kirsdamas jos sieną, nesusidurs su niekuo, išskyrus tuščia vieta. Iš juodosios skylės vidaus pro jos ribą negali išeiti net šviesa. Kitaip tariant, visko, kas vyksta juodosios skylės viduje, išorinis stebėtojas iš esmės nežino.
J. Wheeleris gravitacinį kolapsą ir dėl to atsirandantį singuliarumą (begalinį tankį) laikė viena didžiausių visų laikų fundamentaliosios fizikos krizių. Reliatyvistinė gravitacijos teorija radikaliai pakeičia idėjas apie gravitacinio kolapso prigimtį. Tai veda prie gravitacinio laiko išsiplėtimo reiškinio, dėl kurio masyvus kūnas suspaudžiamas lydinčioje atskaitos sistemoje per ribotą tinkamą laiką. Tuo pačiu, kas svarbiausia, medžiagos tankis išlieka baigtinis ir neviršija 1016 g/cm3, kūno šviesumas mažėja eksponentiškai, objektas „pajuoduoja“, tačiau skirtingai nuo juodųjų skylių jame visada yra medžiaga. paviršius. Tokie objektai, jei jie atsiranda, turi sudėtingą struktūrą ir neįvyksta gravitacinis „savaiminis uždarymas“, todėl materija iš mūsų erdvės neišnyksta. RTG tinkamas laikas krintančio testo kūnui priklauso ir nuo Minkovskio erdvės koordinačių, ir nuo gravitacinės konstantos G, todėl tinkamo laiko eigą lemia gravitacinio lauko prigimtis. Būtent ši aplinkybė lemia tai, kad tinkamas laikas krintančio testo kūnui priartėja prie vadinamojo Schwarzschildo spindulio, sulėtėja neribotą laiką.
Taigi, pagal RTG, iš esmės gamtoje negali egzistuoti juodosios skylės – objektai, kuriuose įvyksta katastrofiškai stiprus medžiagos suspaudimas iki begalinio tankio ir kurie neturi materialaus paviršiaus. Visa tai iš esmės skiria RTG prognozes nuo GR prognozių. Masyvių objektų suspaudimas, kai slėgis nėra lygus nuliui, žinoma, bus silpnesnis, nes vidinis slėgis trukdo gravitacinei traukai. Realių objektų evoliucija reikalauja išsamesnio tyrimo naudojant materijos būsenos lygtį ir yra labai įdomi problema.
RTG paaiškina visą turimą stebėjimo ir eksperimentinių duomenų rinkinį apie gravitacinį poveikį Saulės sistemoje. Išsami analizė rodo, kad Bendrosios reliatyvumo teorijos prognozės dėl gravitacinių efektų Saulės sistemoje yra dviprasmiškos, o vienų efektų atveju savavališkumas kyla dėl pirmosios eilės gravitacinėje konstantoje G, o dėl kitų – pagal antrąją eilę. Kokia šio neaiškumo priežastis? Bendrojoje reliatyvumo teorijoje, norint nustatyti Riemanno erdvės metrinio tenzoriaus komponentus bet kuriose koordinatėse, reikia nurodyti vadinamąsias koordinačių sąlygas, kurios yra labai savavališkos ir visada nekovariantinės (jos susijusios tik su tam tikra pasirinkta koordinate sistema). Priklausomai nuo šių sąlygų tipo, bendru atveju būtinai gausime skirtingus metrinius tenzorius tose pačiose koordinatėse. Tačiau skirtingi metriniai tenzoriai tose pačiose koordinatėse taip pat duos skirtingą geodezę, o tai reiškia, kad bendrojo reliatyvumo teorijos prognozės šviesos ir bandomųjų kūnų judėjimui taip pat skirsis.
Taigi, reliatyvistinė gravitacijos teorija, sukurta remiantis išsaugojimo dėsniais ir idėjomis apie gravitacinį lauką kaip fizinį lauką, turintį energijos ir impulso tankį, kartu su geometrizavimo ir vietinio matuoklio invariancijos principais, paaiškina visus žinomus stebėjimo ir eksperimentinius duomenis. duomenis apie gravitaciją ir pateikia naujų prognozių apie Friedmanno visatos vystymąsi ir gravitacinį žlugimą.
Bibliografija
Denisovas V.I., Logunovas A.A. Šiuolaikinės matematikos problemos. Mokslo ir technikos rezultatai. M., 1982 m.
Landau L. D., Lifshits Trumpas kursas teorinė fizika. M., 1969 m.
Logunovas A. A. Naujos idėjos apie erdvę, laiką ir gravitaciją // Mokslas ir žmonija: tarptautinis metraštis. M., 1988 m.
Logunovas A. A. Reliatyvumo ir gravitacijos teorijos paskaitos. M., 1985 m.
Logunovas A. A. Gravitacinio lauko teorija. M., 2000 (2001).
Logunovas A. A., Loskutovas Yu. M. Bendrosios reliatyvumo teorijos ir reliatyvistinės gravitacijos teorijos prognozių dviprasmiškumas. M., 1986 m.
Logunovas A. A., Mestvirishvili M. A. Reliatyvistinės gravitacijos pagrindai. M., 1982 m.
Klein F. Apie vientisąją išsaugojimo dėsnių formą ir erdviškai uždaro pasaulio teoriją // Einšteino kolekcija 1980–1981 m. M., 1985 m.
Fokas V. A. Erdvės, laiko ir gravitacijos teorija. M., 1965 m.
Schrödinger E. Gravitacinio lauko energijos komponentai / Einšteino kolekcija. 1980–1981 m. M., 1985 m.
Einšteinas A. Kolekcija mokslo darbai. M., 1965. T. 1.
Tema Nr.201
Transliacija 01/21/03
Laikas: 46:00.
Nuo seniausių laikų žmonija galvojo apie tai, kaip veikia mus supantis pasaulis. Kodėl auga žolė, kodėl šviečia Saulė, kodėl mes negalime skristi... Pastarasis, beje, visada ypač domino žmones. Dabar žinome, kad gravitacija yra visko priežastis. Kas tai yra ir kodėl šis reiškinys toks svarbus Visatos mastu, mes svarstysime šiandien.
Įžanginė dalis
Mokslininkai nustatė, kad visi masyvūs kūnai patiria abipusė trauka vienas kitam. Vėliau paaiškėjo, kad ši paslaptinga jėga lemia ir dangaus kūnų judėjimą jų nuolatinėmis orbitomis. Pačią gravitacijos teoriją suformulavo genijus, kurio hipotezės nulėmė fizikos raidą daugeliui ateinančių amžių. Albertas Einšteinas, vienas didžiausių praėjusio šimtmečio protų, išplėtojo ir tęsė (nors visai kita kryptimi) šį mokymą.
Šimtmečius mokslininkai stebėjo gravitaciją ir bandė ją suprasti bei išmatuoti. Galiausiai, per pastaruosius kelis dešimtmečius net toks reiškinys kaip gravitacija buvo atiduotas žmonijai (žinoma, tam tikra prasme). Kas tai yra, koks yra nagrinėjamo termino apibrėžimas šiuolaikiniame moksle?
Mokslinis apibrėžimas
Studijuodami senovės mąstytojų darbus galite sužinoti, kad lotyniškas žodis „gravitas“ reiškia „gravitacija“, „trauka“. Šiandien mokslininkai tai vadina visuotine ir nuolatine materialių kūnų sąveika. Jei ši jėga yra santykinai silpna ir veikia tik tuos objektus, kurie juda daug lėčiau, tai jiems taikytina Niutono teorija. Jei situacija yra priešinga, reikėtų pasinaudoti Einšteino išvadomis.
Iš karto padarykime išlygą: šiuo metu pati gravitacijos prigimtis iš esmės nėra visiškai suprantama. Mes vis dar iki galo nesuprantame, kas tai yra.
Niutono ir Einšteino teorijos
Pagal klasikinį Izaoko Niutono mokymą, visi kūnai traukia vienas kitą jėga, tiesiogiai proporcinga jų masei, atvirkščiai proporcinga atstumo, esančio tarp jų, kvadratui. Einšteinas teigė, kad gravitacija tarp objektų pasireiškia erdvės ir laiko kreivumo atveju (o erdvės kreivumas įmanomas tik tuo atveju, jei joje yra materijos).
Ši mintis buvo labai gili, tačiau šiuolaikiniai tyrimai įrodo, kad ji kiek netiksli. Šiandien manoma, kad gravitacija erdvėje tik išlenkia erdvę: laiką galima sulėtinti ir net sustabdyti, tačiau laikinosios materijos formos keitimo realybė teoriškai nepasitvirtino. Todėl klasikinė Einšteino lygtis net nenumato galimybės, kad erdvė ir toliau darys įtaką materijai ir atsirandančiam magnetiniam laukui.
IN didesniu mastu Yra žinomas gravitacijos dėsnis (universali gravitacija), kurio matematinė išraiška priklauso būtent Niutonui:
\[ F = γ \frak[-1,2](m_1 m_2) (r^2) \]
γ reiškia gravitacinę konstantą (kartais naudojamas simbolis G), kurios reikšmė yra 6,67545 × 10–11 m³/(kg s²).
Sąveika tarp elementariųjų dalelių
Neįtikėtiną mus supančios erdvės sudėtingumą daugiausia lemia begalinis elementariųjų dalelių skaičius. Tarp jų taip pat yra įvairių sąveikų lygiais, kuriuos galime tik spėlioti. Tačiau visų tipų elementariųjų dalelių sąveika labai skiriasi savo stiprumu.
Pačios galingiausios jėgos, apie kurias žinome, sujungia komponentus atomo branduolys. Norėdami juos atskirti, turite išleisti tikrai milžinišką energijos kiekį. Kalbant apie elektronus, juos prie branduolio „pririša“ tik įprastinė energija, kurią sustabdyti kartais atsiranda energija, atsirandanti kaip paprasčiausios energijos rezultatas. cheminė reakcija. Gravitacija (jau žinote, kas tai yra) atomų ir subatominių dalelių pavidalu yra lengviausia sąveikos rūšis.
Gravitacijos laukas šiuo atveju yra toks silpnas, kad sunku įsivaizduoti. Kaip bebūtų keista, būtent jie „stebi“ dangaus kūnų, kurių masės kartais neįmanoma įsivaizduoti, judėjimą. Visa tai įmanoma dėl dviejų gravitacijos ypatybių, kurios ypač ryškios didelių fizinių kūnų atveju:
- Skirtingai nuo atominių, jis labiau pastebimas atstumu nuo objekto. Taigi Žemės gravitacija savo lauke išlaiko net Mėnulį, o panaši jėga iš Jupiterio lengvai palaiko kelių palydovų orbitas vienu metu, kurių kiekvieno masė yra gana panaši į Žemės masę!
- Be to, ji visada suteikia trauką tarp objektų, o esant atstumui ši jėga mažu greičiu susilpnėja.
Daugiau ar mažiau nuosekli gravitacijos teorija susiformavo palyginti neseniai ir būtent remiantis šimtmečių senumo planetų ir kitų dangaus kūnų judėjimo stebėjimų rezultatais. Užduotį labai palengvino tai, kad jie visi juda vakuume, kur kitos tikėtinos sąveikos tiesiog nėra. Galilėjus ir Kepleris, du puikūs to meto astronomai, savo vertingiausiais stebėjimais padėjo paruošti dirvą naujiems atradimams.
Tačiau tik didysis Izaokas Niutonas sugebėjo sukurti pirmąją gravitacijos teoriją ir ją išreikšti matematiškai. Tai buvo pirmasis gravitacijos dėsnis, kurio matematinis vaizdas pateiktas aukščiau.
Niutono ir kai kurių jo pirmtakų išvados
Skirtingai nuo kitų fizinių reiškinių, egzistuojančių mus supančiame pasaulyje, gravitacija pasireiškia visada ir visur. Turite suprasti, kad terminas „nulinė gravitacija“, dažnai sutinkamas pseudomoksliniuose sluoksniuose, yra labai neteisingas: net nesvarumas erdvėje nereiškia, kad žmogus ar erdvėlaivis kažkokio masyvaus objekto trauka neveikia.
Be to, visi materialūs kūnai turi tam tikrą masę, išreikštą jiems pritaikytos jėgos ir dėl šios įtakos gauto pagreičio forma.
Taigi gravitacinės jėgos yra proporcingos objektų masei. Juos galima išreikšti skaitine forma, gavus abiejų nagrinėjamų kūnų masių sandaugą. Šią galią griežtai paklūsta atvirkštinis ryšys nuo atstumo tarp objektų kvadrato. Visos kitos sąveikos visiškai skirtingai priklauso nuo atstumų tarp dviejų kūnų.
Mišios kaip kertinis teorijos akmuo
Objektų masė tapo ypatingu nesutarimų tašku, aplink kurį pastatyta visa modernioji Einšteino gravitacijos ir reliatyvumo teorija. Jei prisimenate Antrąjį, tikriausiai žinote, kad masė yra privaloma bet kurio fizinio materialaus kūno savybė. Tai parodo, kaip objektas elgsis, jei jam bus taikoma jėga, nepaisant jo kilmės.
Kadangi visi kūnai (pagal Newtoną) veikiami išorinė jėga pagreitinti, tai masė nulemia, koks bus šis pagreitis. Apsvarstykime daugiau aiškus pavyzdys. Įsivaizduokite motorolerį ir autobusą: jei juos pritaikysite lygiai tokia pačia jėga, jie pasieks skirtingi greičiai skirtingam laikui. Gravitacijos teorija visa tai paaiškina.
Koks yra masės ir gravitacijos santykis?
Jeigu mes kalbame apie gravitaciją, tai masė šiame reiškinyje vaidina visiškai priešingą vaidmenį nei ji atlieka objekto jėgos ir pagreičio atžvilgiu. Būtent ji pati yra pagrindinis traukos šaltinis. Jei paimsite du kūnus ir pažvelgsite į jėgą, kuria jie pritraukia trečiąjį objektą, esantį vienodais atstumais nuo pirmųjų dviejų, tada visų jėgų santykis bus lygus pirmųjų dviejų objektų masių santykiui. Taigi gravitacijos jėga yra tiesiogiai proporcinga kūno masei.
Jei atsižvelgsime į trečiąjį Niutono dėsnį, pamatytume, kad jis sako lygiai tą patį. Sunkio jėga, kuri veikia du kūnus, esančius vienodu atstumu nuo traukos šaltinio, tiesiogiai priklauso nuo šių objektų masės. IN Kasdienybė kalbame apie jėgą, kuria kūnas pritraukiamas planetos paviršiuje kaip jo svoris.
Apibendrinkime kai kuriuos rezultatus. Taigi masė yra glaudžiai susijusi su pagreičiu. Tuo pačiu metu ji nustato jėgą, kuria gravitacija veiks kūną.
Kūnų pagreičio ypatumai gravitaciniame lauke
Šis nuostabus dvilypumas yra priežastis, dėl kurios tame pačiame gravitaciniame lauke visiškai skirtingų objektų pagreitis bus lygus. Tarkime, kad turime du kūnus. Vienam iš jų priskirkime masę z, o kitam masę Z. Abu objektai numesti ant žemės, kur jie laisvai krenta.
Kaip nustatomas traukos jėgų santykis? Ją parodo paprasčiausia matematinė formulė – z/Z. Tačiau pagreitis, kurį jie gauna dėl gravitacijos jėgos, bus visiškai toks pat. Paprasčiau tariant, kūno pagreitis gravitaciniame lauke niekaip nepriklauso nuo jo savybių.
Nuo ko priklauso pagreitis aprašytu atveju?
Tai priklauso tik (!) nuo objektų, kurie sukuria šį lauką, masės, taip pat nuo jų erdvinės padėties. Dvigubas masės ir vienodo skirtingų kūnų pagreičio vaidmuo gravitaciniame lauke buvo atrastas gana ilgą laiką. Šie reiškiniai gavo tokį pavadinimą: „Ekvivalentiškumo principas“. Šis terminas dar kartą pabrėžia, kad pagreitis ir inercija dažnai yra lygiaverčiai (žinoma, tam tikru mastu).
Apie G reikšmės svarbą
Iš mokyklos fizikos kurso prisimename tą pagreitį laisvas kritimas mūsų planetos paviršiuje (Žemės gravitacija) yra 10 m/s.² (žinoma, 9,8, tačiau skaičiavimo patogumui ši vertė naudojama). Taigi, jei neatsižvelgsite į oro pasipriešinimą (žymiame aukštyje esant nedideliam kritimo atstumui), efektą gausite, kai kūnas įgis 10 m/sek pagreičio prieaugį. kiekviena sekundė. Taigi iš antro namo aukšto iškritusi knyga iki skrydžio pabaigos judės 30-40 m/sek greičiu. Paprasčiau tariant, 10 m/s yra gravitacijos „greitis“ Žemėje.
Gravitacijos pagreitis fizinėje literatūroje žymimas raide „g“. Kadangi Žemės forma tam tikru mastu labiau primena mandariną, o ne sferą, šio kiekio vertė nėra vienoda visuose jos regionuose. Taigi, ašigalių ir viršūnių pagreitis yra didesnis aukšti kalnai jis tampa mažesnis.
Net kasybos pramonėje gravitacija atlieka svarbų vaidmenį. Šio reiškinio fizika kartais gali sutaupyti daug laiko. Taigi geologus ypač domina idealiai tikslus g nustatymas, nes tai leidžia išskirtinai tiksliai tyrinėti ir rasti naudingųjų iškasenų telkinius. Beje, kaip atrodo gravitacijos formulė, kurioje svarbų vaidmenį vaidina mūsų laikytas kiekis? Štai ji:
Pastaba! Šiuo atveju gravitacijos formulė G reiškia „gravitacijos konstantą“, kurios reikšmę mes jau pateikėme aukščiau.
Vienu metu Niutonas suformulavo minėtus principus. Jis puikiai suprato ir vienybę, ir universalumą, tačiau negalėjo apibūdinti visų šio reiškinio aspektų. Ši garbė teko Albertui Einšteinui, kuris taip pat sugebėjo paaiškinti lygiavertiškumo principą. Būtent jam žmonija yra skolinga už šiuolaikinį erdvės ir laiko kontinuumo prigimties supratimą.
Reliatyvumo teorija, Alberto Einšteino darbai
Izaoko Niutono laikais buvo manoma, kad atskaitos taškai gali būti pavaizduoti tam tikrų standžių „stypų“ pavidalu, kurių pagalba nustatoma kūno padėtis erdvinėje koordinačių sistemoje. Tuo pačiu metu buvo daroma prielaida, kad visi stebėtojai, pažymėję šias koordinates, bus toje pačioje laiko erdvėje. Tais metais ši nuostata buvo laikoma tokia akivaizdžia, kad nebuvo bandoma jos nuginčyti ar papildyti. Ir tai suprantama, nes mūsų planetos ribose šioje taisyklėje nėra jokių nukrypimų.
Einšteinas įrodė, kad matavimo tikslumas tikrai būtų svarbus, jei hipotetinis laikrodis judėtų žymiai lėčiau nei šviesos greitis. Paprasčiau tariant, jei vienas stebėtojas, judantis lėčiau nei šviesos greitis, seka du įvykius, tada jie jam įvyks tuo pačiu metu. Atitinkamai, antrajam stebėtojui? kurių greitis yra toks pat arba didesnis, įvykiai gali vykti skirtingu laiku.
Bet kaip gravitacija yra susijusi su reliatyvumo teorija? Pažvelkime į šį klausimą išsamiai.
Ryšys tarp reliatyvumo teorijos ir gravitacinių jėgų
Pastaraisiais metais subatominių dalelių srityje buvo padaryta daugybė atradimų. Vis stiprėja įsitikinimas, kad netrukus atrasime paskutinę dalelę, už kurios mūsų pasaulis negali suskaidyti. Tuo labiau reikia išsiaiškinti, kaip mūsų visatos mažiausius „statybinius blokus“ veikia tos esminės jėgos, kurios buvo atrastos praėjusiame amžiuje ar net anksčiau. Ypač apmaudu, kad pati gravitacijos prigimtis dar nepaaiškinta.
Štai kodėl po Einšteino, kuris nustatė Niutono klasikinės mechanikos „nekompetenciją“ nagrinėjamoje srityje, mokslininkai sutelkė dėmesį į visišką anksčiau gautų duomenų permąstymą. Pati gravitacija buvo iš esmės peržiūrėta. Kas tai yra subatominių dalelių lygyje? Ar tai turi kokią nors reikšmę šiame nuostabiame daugiamačiame pasaulyje?
Paprastas sprendimas?
Iš pradžių daugelis manė, kad Niutono gravitacijos ir reliatyvumo teorijos neatitikimas gali būti paaiškintas gana paprastai, remiantis analogijomis iš elektrodinamikos srities. Galima daryti prielaidą, kad gravitacinis laukas sklinda kaip magnetinis laukas, po kurio jis gali būti paskelbtas dangaus kūnų sąveikos „tarpininku“, paaiškinančiu daugelį senosios ir naujosios teorijų neatitikimų. Faktas yra tas, kad tuomet atitinkamų jėgų santykiniai sklidimo greičiai būtų žymiai mažesni už šviesos greitį. Taigi, kaip yra susiję gravitacija ir laikas?
Iš esmės pačiam Einšteinui beveik pavyko sukurti reliatyvistinę teoriją, pagrįstą būtent tokiomis pažiūromis, tačiau tik viena aplinkybė sutrukdė jo ketinimui. Nė vienas iš to meto mokslininkų neturėjo jokios informacijos, kuri padėtų nustatyti gravitacijos „greitį“. Tačiau buvo daug informacijos, susijusios su didelių masių judėjimais. Kaip žinoma, būtent jie buvo visuotinai pripažintas galingų gravitacinių laukų atsiradimo šaltinis.
Didelis greitis labai veikia kūnų mases, ir tai niekaip nepanašu į greičio ir krūvio sąveiką. Kuo didesnis greitis, tuo didesnė kūno masė. Problema ta, kad pastaroji reikšmė automatiškai taptų begalinė, jei judėtų šviesos greičiu ar greičiau. Todėl Einšteinas padarė išvadą, kad yra ne gravitacinis laukas, o tenzorinis laukas, kuriam apibūdinti reikėtų naudoti daug daugiau kintamųjų.
Jo pasekėjai padarė išvadą, kad gravitacija ir laikas praktiškai nesusiję. Faktas yra tas, kad šis tenzorinis laukas pats gali veikti erdvę, bet negali paveikti laiko. Tačiau puikus šiuolaikinis fizikas Stephenas Hawkingas turi kitokį požiūrį. Bet tai visai kita istorija...
Naujoji gravitacijos teorija, kurią 2010 m. suformulavo Amsterdamo universiteto mokslininkas Erikas Verlinde'as, vis dar aršiai ginčijamasi mokslo sluoksniuose. Galbūt jokia idėja nesukeltų tokių karštų ginčų kaip tamsiosios medžiagos nebuvimas Visatoje. Atrodo, kad Verlinde teorija dabar turi galimybę gauti naujų įrodymų. Tai tapo įmanoma dėl nuolatinių astronomų stebėjimų.
Įtikinami įrodymai
Dabartiniai astronomų tyrimai buvo pripažinti tvirtu įrodymu, kad atsiranda gravitacija, kai gravitacija gali atsirasti spontaniškai, o ne būti spontaniškai sutvarkyta gamtos esybe. Kol kas surinkti įrodymai yra tikrinimo stadijoje, o tyrimo rezultatai moksliniuose žurnaluose neskelbti. Tačiau jei ši teorija sulauks oficialaus patvirtinimo, pasaulis vėl atsistos ant mokslo revoliucijos slenksčio. Tik dabar Niutono ir Einšteino prielaidos bus paneigtos. Kita vertus, tai gali pažymėti i, nes klasikinės ir kvantinės mechanikos negalima naudoti vienu metu.
Ar gravitacija nėra tikra?
Pagal Eriko Verlinde'o hipotezę, gravitacija nėra tikra. Tai efektas, susijęs su entropija arba negrįžtamu energijos išsisklaidymu Visatoje. Gauti įrodymai nepaneigia kosmologinių konstantų teorijos, teigiančios, kad galaktikas supa tamsioji medžiaga. Šios pagrindinės medžiagos nesąveikauja su matoma šviesa ir negali būti aptiktos naudojant antžeminius instrumentus. 
Kokia ginčo esmė?
Gravitacijos teorijos šalininkai įsitikinę, kad tamsioji medžiaga yra teorinė dalelė, apibrėžiama keliais parametrais. Tačiau atsirandančios gravitacijos teorija kyla iš išplėstinės fizines formules. Taigi abi teorijos negali prieštarauti viena kitai, nes naujojoje versijoje skaičiavimams buvo atsižvelgta į daugiau kintamųjų.
Gravitacinis lęšis
Astronominius stebėjimus įmano atlikti gravitacinis lęšis. Šis reiškinys dažniausiai siejamas su šviesos spindulių nukreipimu gravitaciniame lauke. Objektyvai gali būti naudojami norint paaiškinti kelių įvairių astronominių objektų vaizdų susidarymą. Šviesos refrakcija, nukreipta į sunkius objektus, anksčiau buvo naudojama išplėstiniuose standartinio kosmologinio modelio bandymuose. 
Nors vis dar nėra tiesioginių nuorodų į lęšiavimą kosmologiniuose eksperimentuose, mokslininkai gali įvertinti numatomą lęšio signalą, atsižvelgiant į galaktikų raudonąjį poslinkį. Tikriausiai jų grupavimas vyksta veikiant patrauklioms jėgoms.
Nauja teorija gali pakeisti laiko, erdvės ir gravitacijos supratimą
Taigi atsirandanti gravitacija nori panaikinti bendrąjį reliatyvumą ir tamsiąją materiją. Taigi, testuodami galite suprasti, kaip atskiri objektai gali sąveikauti vienas su kitu. Jei bendroji reliatyvumo teorija numato tikrosios Visatos modelį, tai nauja idėja taikytina izoliuotoms, sferinėms ir statinėms sistemoms.
Pasak Carlo Sagano, „ypatingiems teiginiams reikia ypatingų įrodymų“. Tuo tarpu būkime kantrūs ir laukime besiformuojančios gravitacijos teorijos patvirtinimo.
