Гравитация

Гравитацией называется взаимное притяжение сил, действующее на все объекты во Вселенной. Согласно классическому закону всемирного тяготения И. Ньютона, все тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними; она не зависит от других свойств тел.

Интерес к проблеме гравитации возник задолго до Ньютона. В IV в. до н. э. Аристотель утверждал, что все тела падают, потому что они стремятся к центру Вселенной, а этим центром является Земля. При этом считалось, что, чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает. Такое представление продержалось около 2 тысячелетий и было опровергнуто в результате опытов Г. Галилея со свободным падением тел. Галилей доказал, что если освободиться от сопротивления воздуха, то все тела упадут на Землю с одинаковым ускорением. Большой вклад в развитие идей о всемирном тяготении внесло открытие И. Кеплером законов движения планет. Все эти факты подготовили почву для открытия И. Ньютоном закона всемирного тяготения в 1685 г. Этот закон, а также сформулированные Ньютоном три основных принципа механики: закон инерции, закон пропорциональности ускорения действующей силе и обратной пропорциональности массе и закон равенства действия противодействию - легли в основу современной классической, или, как часто говорят, ньютоновой, механики.

Всемирное тяготение пронизывает всю Вселенную. Под его действием движутся планеты вокруг Солнца, взаимодействуют галактики, конденсируются частицы в космическом пространстве, образуя звезды, движутся искусственные спутники и другие космические аппараты. Под воздействием этой же силы происходят геотектонические процессы на Земле и других планетах, формируется лик Земли и планет, идут метеорологические процессы (см. Гравиметрия).

Но при всей строгости ньютоновой теории тяготения существовала трудность с объяснением механизма тяготения. Каким образом гравитационное взаимодействие передается мгновенно на любые расстояния?

В течение XVIII-XIX вв. физики искали механизм, объясняющий тяготение. Сам Ньютон пытался вначале объяснить дальнодействие тяготения наличием эфира, тонкого вещества переменной плотности, которое, вытесняя более грубое вещество и заполняя поры тел, вызывает тем самым эффект притяжения. Но впоследствии он от поисков механизма тяготения отказался.

В течение двух веков физики обсуждали два типа механизмов, объясняющих гравитацию: с помощью эфира и с помощью корпускул. Однако эти объяснения не выдерживали серьезной критики.

В 1916 г. немецкий физик А. Эйнштейн опубликовал работу, в которой он изложил новую теорию гравитации, названную им общей теорией относительности. Эта теория не требует объяснения принципа дальнодействия, а вместе с тем не нуждается ни в эфире, ни в корпускулах (см. Теория относительности).

В общей теории относительности существенную роль играет так называемый принцип эквивалентности. Смысл его заключается в том, что, сообщив наблюдателю некоторое постоянное ускорение, можно полностью имитировать поле тяготения.

Более строго принцип эквивалентности формулируется следующим образом. Как известно, во второй закон механики Ньютона F = m_и α. где F - сила, α - ускорение, входит коэффициент m_и, называемый инертной массой. Он характеризует степень инерции тела, т. е. способность тела сопротивляться внешнему воздействию, которое изменяет его состояние движения. В закон всемирного тяготения Ньютона F = Gm_τ1m^τ2/r². где G - гравитационная постоянная, m_τ1m_τ2 - массы притягивающихся тел, а r - расстояние между ними, входит величина m_τ. Она характеризует способность тела притягивать к себе другие тела и называется тяготеющей, массой. Таким образом, принцип эквивалентности означает, что для любого тела m_и = m_τ. т. е. масса инертная равна массе тяготеющей.

Исходя из этих предпосылок, Эйнштейн и получил свои уравнения для описания гравитационного поля. Уравнения эти весьма сложны. Они позволяют интерпретировать гравитацию как поле искривления пространства. В пустоте, т. е. при отсутствии материальных тел, пространство-время Эйнштейна совпадает с обычным трехмерным евклидовым пространством и подчиняется всем теоремам геометрии Евклида. Но в присутствии материальных тел пространство-время искривляется, причем, чем ближе к телу и чем больше его масса, тем искривление больше.

Гравитационное поле точечной массы обладает в теории Эйнштейна так называемой ловушечной поверхностью. Это такая поверхность, охватывающая притягивающие массы, достигнув которой любое тело, обладающее массой, притягивается к центральной массе с такой силой, что неизбежно падает на нее. Радиус r_g такой поверхности называется гравитационным радиусом. Если гравитационный радиус больше геометрических размеров тела, то ни одна материальная частица не может покинуть это тело. Таким образом, если размеры какой-нибудь звезды по тем или иным причинам становятся меньше гравитационного радиуса, ничто, в том числе и излучение, не может покинуть звезду. Такие звезды называются черными дырами.

Теория Эйнштейна дала правильный количественный результат для ряда эффектов, необъяснимых с точки зрения теории Ньютона. Таковы эффект искривления луча света вблизи тяготеющей массы, эффект движения перигелия Меркурия и эффект красного смещения спектральных линий излучения звезд под действием тяготения.

Эйнштейн не считал свою теорию завершенной и искал ее обобщения. Сейчас попытки ее обобщений основаны на поисках единой теории поля. Исходным пунктом этих обобщений является предположение о существовании некоего праполя, порождающего все элементарные частицы и их поля, в том числе и поле тяготения.