Гравітація

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Гравіта́ція — це властивість масивних тіл притягуватись одне до одного. Гравітація є, зокрема, причиною земного тяжіння, внаслідок якого предмети падають додолу. Також орбіта Місяця навколо Землі і Землі та інших планет навколо Сонця визначається законами гравітації.

Зміст

1 Вступ
2 Ньютонівський закон всесвітнього тяжіння
3 Загальна теорія відносності
4 Труднощі квантової теорії гравітації

[ред.] Вступ

Закон всесвітнього тяжіння був вперше сформульований Ісааком Ньютоном у 1687 році в роботі "Математичні принципи натуральної філософії". Цей закон знайшов застосування в асрономії. Було підтверджено відкриті раніше Кеплером закони руху планет. Теорія Ньютона заклала основи динаміки Сонячної системи і відкрила можливості передбачення руху планет, їхніх супутників та комет із вражаючою точністю.

У 1916 році на зміну теорії Ньютона прийшла Загальна теорія відносності, розроблена у Альбертом Ейнштейном. У цій теорії гравітаційна взаємодія пов'язана з викривленням простору-часу поблизу масивних тіл. Різниця між теоріями Ньютона і Ейнштейна виявляє себе лише тоді, коли тіла рухаються зі швидкістю близькою до швидкості світла або гравітаційні поля є дуже сильними (наприклад поблизу нейтронних зірок та чорних дір). Для більшості практичних потреб, коли справа стосується слабких гравітаційних полів і невеликих швидкостей, Ньютонівське формулювання є достатньо точним.

Гравітація є найслабшою з чотирьох відомих фундаментальних взаємодій. Однак внаслідок великого радіусу дії та через те, що її неможливо заекранувати, гравітація відіграє вирішальну роль в описі руху космічних об'єктів та в еволюції всесвіту.

[ред.] Ньютонівський закон всесвітнього тяжіння

Ньютонівський закон всесвітнього тяжіння стверджує:

Два тіла з масами m₁ та m₂ притягують одне одне з силою F прямо пропорційною добутку мас і обернено пропорційною квадрату відстані між ними:

$F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}$

Коефіцієнт пропорційності називається гравітаційною сталою. Її величина

$G=(6.742 \pm 0.0010)$ м³ кг^-1 с^-2

Наведена вище формула дозволяє обчислити лише абсолютну величину сили тяжіння. Більш повним є векторне рівняння, що описує як величину гравітаційної сили так і її напрямок:

$\mathbf{F}_{12} = - G {m_1 m_2 \over r_{12}^2} \, \mathbf{\hat{r}}_{12}$

Величини, виділені жирним шрифтом, позначають вектори.

$\mathbf{F}_{12}$ — вектор сили, з якою тіло 1 діє на тіло 2;
$\mathbf{\hat{r}}_{12}$ — одиничний вектор напрямлений від тіла 1 до тіла 2;
$r 12$ — відстань між тілами 1 та 2.

Сторого кажучи, наведені тут формули справедливі лише для точкових об'єктів. Якщо тіла мають просторові розміри, силу притягання між ними слід рахувати шляхом інтегрування сили у векторній формі по об'ємах двох тіл. Можна показати, що для тіла зі сферично-симетричним розподілом мас інтеграл дає ту саму силу тяжіння за межами цього тіла, яку б давала точкова маса розташована у центрі тіла.

Прискорення тіла під дією гравітаційних сил не залежить від маси цього тіла. Дана властивість пов'язана з пропорційністю (у більшість систем фізичних одиниць — рівністю) інерційної та гравітаційної маси.

У рамках Ньютонівської теорії припускається, що зміна положення тіл веде до миттєвої зміни створюваними ними поля. Тобто вважається, що взаємодія поширюєтся з нескінченною швидкістю. Дане припущення суперечить принципам спеціальної теорії відносності, яка обмежує максимальну швидкість поширення взаємодії швидкістю світла. У зв'язку з цим теорія Ньютона непридатна для опису гравітаційної взаємодії тіл, що рухаються з релятивістськими (тобто близькими до швидкості світла) швидкостями. Її також не можна застосовувати у випадку сильних гравітаційних полів, які здатні прискорити тіла до релятивістських швидкостей. Теорію тяжіння Ньютона називають також нерелятивістською теорією гравітації.

[ред.] Загальна теорія відносності

Загальна теорія відносності (ЗТВ) — це релятивістська теорія гравітації, опублікована Альбертом Ейнштейном в 1915 році. На відміну від нерелятивістської Ньютонівської теорії тяжіння ЗТВ придатна також для опису гравітаційної взаємодії тіл, що рухаються зі швидкостями близькими до швидкості світла. Її також можна застосовувати у випадку сильних гравітаційних полів, наприклад поблизу нейтронних зірок та чорних дір (однак лише у тому разі, коли можна знехтувати квантовими ефектами). У ЗТВ виникає ціла низка нових ефектів зокрема таких як сповільнення плину часу у гравітаційному полі, залежність гравітаційної взаємодії від обертання тіл, гравітаційні хвилі тощо.

У Сонячній системі ефекти ЗТВ виявляють себе крихітними відхиленнями фактичних траекторій руху планет та інших космічих тіл (у першу чергу Меркурія) від орбіт, розрахованих у рамках теорії Ньютона.
Докладніше див. Загальна теорія відносності.

[ред.] Труднощі квантової теорії гравітації

У квантовій теорії гравітації взаємодія передається за посередництвом гравітонів — безмасових частинок зі спіном 2 (подібно до того, як електромагнітна взаємодія в квантовій електродинаміці передається за допомогою фотонів).

У квантовій теорії поля виникають нескінченні величини (розбіжні інтеграли). На відміну від інших фундаментальних взаємодій, у квантовій теорії гравітації проблему розбіжностей не вдається вирішити шляхом процедури перенормувань. Це робить квантову теорію гравітації внутрішньо суперечливою і не придатною для застосування при високих енергіях частинок, що взаємодіють.

Несуперечлива квантова теорія гравітації на сьогоднішній день ще не створена.

Фундаментальні взаємодії
Гравітація \| Електромагнітна взаємодія \| Слабка взаємодія \| Сильна взаємодія

Отримано від "http://uk.wikipedia.org../../../%D0%B3/%D1%80/%D0%B0/%D0%93%D1%80%D0%B0%D0%B2%D1%96%D1%82%D0%B0%D1%86%D1%96%D1%8F.html"

Категорія: Фундаментальні взаємодії