Гравитация

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

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

[править] Гравитационное взаимодействие

Гравитационное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики, гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя телами массы m₁ и m₂, разделённых расстоянием R есть

.

Здесь G — гравитационная постоянная, равная м³/(кг с²). Знак минус означает, что сила, действующая на тело, всегда противоположна по направлению радиус-вектору, направленному на тело, т. е. гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению любых тел.

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

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

[править] Небесная механика и некоторые её задачи

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

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

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

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

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

[править] Сильные гравитационные поля

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

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

[править] Гравитационное излучение

Одним из важных предсказаний ОТО является гравитационное излучение, наличие которого до сих пор не подтверждено экспериментально. В настоящее время (апрель 2006) существуют проекты создания космических детекторов гравитационного излучения. Гравитационное излучение является квадрупольным, этот факт говорит о том, что гравитационное излучение большинства природных источников направленное, что существенно усложняет его обнаружение.

[править] Тонкие эффекты гравитации

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

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

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

Гравитационная сила классической теории тяготения Ньютона связана с гравитационным потенциалом — одной единственной величиной; в ОТО он определяется чисто временно́й компонентой метрического тензора — одной. Ряд тонких неклассических эффектов в теории связан со смешанными компонентами метрического тензора пространства-времени.

Действительное существование этих эффектов означает, что гравитация является действительно более сложным взаимодействием, чем представляется в соответствии с теорией Ньютона. Можно проводить некоторую аналогию между гравитацией и электромагнетизмом. Освоение возможностей управления гравитацией сулит захватывающие перспективы. В последнее время многие связывают возможность управления гравитацией с развитием техники сверхтекучести.

[править] Квантовая теория гравитации

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

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

[править] См. также

• Гравитационное излучение
• Общая теория относительности

В этой статье или секции нет ссылок на источники информации. Вы можете помочь проекту, добавив список литературы или внешние ссылки.