Реклама на сайте (разместить):



Реклама и пожертвования позволяют нам быть независимыми!

Гравитация

Материал из Викизнание
Перейти к: навигация, поиск
Происхождение и эволюция гравитации — гравитационных волн.

Гравитация (тяготение) — фундаментальное взаимодействие, которому подвержены все материальные тела, и выражающееся в притяжении этих тел друг к другу. Термин гравитация используется также как название раздела в физике, изучающего гравитационное поле и гравитационное взаимодействие.

Система из двух нейтронных звезд порождает среду — рябь пространства-времени

Гравитация в решении Ньютона[править]

Схема действия силы гравитации.

Важнейшим свойством гравитации является то, что вызываемое ею ускорение малых пробных тел почти не зависит от массы этих тел. Это связано с тем, что гравитация как сила в природе прямо пропорциональна массе взаимодействующих тел. При размерах тел, достигающих размеров планет и звёзд, гравитационная сила становится определяющей и формирует шарообразную форму этих объектов. При дальнейшем увеличении размеров до уровня скоплений галактик и сверхскоплений проявляется эффект ограниченной скорости гравитационного взаимодействия. Это приводит к тому, что сверхскопления имеют уже не округлую форму, а напоминают вытянутые волокна различной формы и примыкающие к узлам скоплениям галактик с самыми массивными центрами.


Гравитационное взаимодействие — самое слабое из фундаментальных взаимодействий в атомном и субатомном мире, но в нашем мире гравитация самая значительная сила, которая двигает спутниками[1] и планетами[2], звёздами[3] и галактиками[4], разрывает звёзды и уничтожает галактики, как и даже гравитация основа грандиозно огромных объектов во Вселенной – галактических скоплений[5] и суперкластеров[6]. В рамках классической механики, гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, согласно которому сила гравитационного притяжения F_{G} сложение двух сил между двумя телами массы m_{1} и m_{2}, разделённых расстоянием R, и с участием G гравитационной постоянной, равной 6,673(10)\cdot 10^{{-11}} м3/(кг с2), выражается[7]:


F_{G}-{{\vec  {F}}_{{m_{{_{2}}}}}}={{\vec  {F}}_{{m_{{_{1}}}}}}


F_{G}={{\vec  {F}}_{{m_{{_{1}}}}}}+{{\vec  {F}}_{{m_{{_{2}}}}}}


F_{G}=G\cdot {m_{1}\cdot m_{2} \over R^{2}}


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, что при изучении движения тел в поле тяжести часто существенно упрощает решение, что выразил Ньютон ещё во втором своём законе:


{G}=m{\vec  {a}}


Где, {G} – сила тяжести Ньютона, {\vec  {a}} – ускорение свободного падения, m – масса объекта на который действует тяготение.


Допуская, что ускорение свободного падения {\vec  {a}} равно гравитационному ускорению {\mathrm  {g}}, которое выражается:


{\mathrm  {g}}=G{\frac  {M_{\oplus }}{R^{2}}}


где, G – гравитационная постоянная, M_{\oplus } – масса планеты Земля, R – расстояния от центра гравитации.


В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал и сила притяжения зависят только от пространственного положения тела в данный момент времени. Почему, и силу гравитации в пределах гравитационного поля планеты Земля определяют по формулировке Исаака Ньютона:


F_{G}=G\cdot {m\cdot M_{\oplus } \over R^{2}}


Такое уравнение решает силу гравитации относительно всех объектов, как на поверхности планеты Земля, как в атмосфере планеты Земля, так и на космической орбите возле планеты Земля. Ни одно техническое устройство не обходится без расчетов влияния силы гравитации, чтобы точно знать все технологические и научные параметры в покое и движении. Так, например, рассчитывается сила гравитации при перегрузках, как значимое не только в создании техники, а и для жизни человека, что может выражаться модифицированной формулой законов Ньютона:


F_{G}=m\cdot n{\mathrm  {g}}=m\cdot n{\bigg (}G{\frac  {M_{\oplus }}{R^{2}}}{\bigg )}=G{\frac  {m\cdot M_{\oplus }}{R^{2}}}n


Где, F_{G} – сила гравитации, {\mathrm  {g}} – гравитационное ускорение, m – масса объекта на который действует тяготение, nчисло перегрузки (± 1, 2, 3...).


И, достижение околоземных орбит, полеты на околоземных орбитах, выход космических кораблей в открытый космос, как и полет космических кораблей по просторам Солнечной системы и за её пределами, всё это основано на 90% по законам Ньютона. На 9% для решения гравитационных взаимодействий используют принципы из «Теории Относительности» Альберта Эйнштейна (квантовая физика) и квантовой механики. И, только один процент оставлен без возможных решений, относительно чего выдвигается много разных теорий.

Ошибка в законе Всемирного Тяготения Ньютона[править]

На заре научного обоснования гравитации, закон Всемирного Тяготения Ньютона был приемлем для выражения гравитации планеты Земля, гравитацией взаимодействующей с телами у которых бесконечно малый гравитационный потенциал, потому, что эти потенциалы не создают значимой силы, чтобы противодействовать земной гравитации. А, до других объектов солнечной системы у которых значительный гравитационный потенциал, дотянуться было нельзя, а только можно было верить Ньютону на слово. С достижениями физики в области фундаментальных полей, стало понятно, что значимые одноимённые гравитационные потенциалы будут отталкиваться, и с силой равной сложению сил гравитации, как это происходит в системе Земля-Луна:


{\vec  {F}}_{{_{{\pm G}}}}={\vec  {F}}_{{_{{\oplus }}}}+{\vec  {F}}_{{_{{\smallsmile }}}}


Где, {\vec  {F}}_{{_{{\pm G}}}} – сила гравитационного отталкивания, {\vec  {F}}_{{_{{\oplus }}}} – сила гравитации планеты Земля, {\vec  {F}}_{{_{{\smallsmile }}}} – сила гравитации спутника Луна.


И, чтобы разрешить ошибку Исаака Ньютона, объяснить в ньютоновской гравитации, каким образом система Земля-Луна не разлетается по солнечной системе, Альберт Эйнштейн ввёл в уравнение гравитации силу искривленного пространства, которая противоборствует гравитационному отталкиванию, содействуя сдерживанию системы Земля-Луна в гравитационном равновесии.


{\vec  {F}}_{{_{{\pm G}}}}\cong {\vec  {F}}_{{_{{\otimes }}}}


Где, {\vec  {F}}_{{_{{\pm G}}}} – сила гравитационного отталкивания одноимённых гравитационных потенциалов, {\vec  {F}}_{{_{{\otimes }}}} – сила притяжения от искривления пространства гравитационными потенциалами.


За счёт этого добавления Эйнштейна в систему уравнений гравитационного взаимодействия планет, звёзд, черных дыр, и даже галактик, стало понятно, почему эти астрономические объекты не разлетаются, а создают планетарные системы, звёздные и галактические. Таким образом закон Всемирного Тяготения Ньютона стал Вселенским законом. И, расчёты не на суперкомпьютерах, а на обычном калькуляторе, относительно Солнца и планетарных объектов в солнечной системе, показывали, что вместе Ньютон и Эйнштейн выразили правильно гравитационное взаимодействие объектов солнечной системы. А, уже трёхмерные симуляции на суперкомпьютере прошлого века могли показать взаимодействие Солнца, планет солнечной системы, астероидов и комет.

Небесная механика и некоторые её задачи[править]

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 — удивительная структура колец Сатурна.

Несмотря на попытки описать долговременное поведение системы из большого числа притягивающихся тел примерно одинаковой массы, сделать этого не удаётся из-за явления динамического хаоса. Это наиболее часто встречается в небесной механике Солнечной системы. Важную проблему трех тел представляет система Земля – Луна – Солнце, и здесь для точного вычисления орбиты Луны приходится учитывать возмущения со стороны других планет (особенно Солнца, Юпитера и Сатурна), как и непосредственное влияние планеты Земли.

Интерес к классической небесной механике значительно возрос в последние десятилетия в связи с необходимостью расчета орбит искусственных спутников и межпланетных аппаратов. Мощные компьютеры сделали возможным быстрое решение любой небесно-механической задачи с высокой точностью. Впервые для таких расчетов был использован компьютер SSEC фирмы IBM, которому для вычисления положений Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона понадобилось 140 часов, а сегодня рядовой компьютер делает это менее чем за 2 секунды.

В последние годы с использованием супер-ЭВМ, которые способны воспроизводить внутреннюю часть галактики на гораздо более высоком разрешении, был открыт проект, который получил название «Водолей», и предназначен, чтобы понять структуру темной материи в очень мелком масштабе и в окрестностях галактики Млечный Путь, рассчитывая галактическую структуру, как можно ближе к центру, и насколько это возможно. В соответствии с моделированием на таком разрешении в проекте «Водолей», впервые исполнена модель предварительного моделирования с 9003 количеством частиц (звёздных систем).

Теперь с помощью мощнейших компьютеров стало возможным решать такие задачи, которые были совершенно не доступны классической небесной механике, можно проследить на протяжении миллиардов лет эволюцию скопления, состоящего из сотен тысяч звезд, и можно детально рассчитать, как выразится процесс двух сталкивающихся галактик. И, естественно, такие решения невозможны были бы без знаний законов Кеплера, Ньютона, и теоретической базы Эйнштейна и современной альтернативной научной базы приобретённой за несколько лет исследований и опытов, как и важнейших полученных данных.

Сильные гравитационные поля[править]

В сильных гравитационных полях или при движении с релятивистскими скоростями, начинают проявляться эффекты общей теории относительности:

  • отклонение закона тяготения от ньютоновского;
  • запаздывание потенциалов, связанное с конечной скоростью распространения гравитационных возмущений; появление гравитационных волн;
  • эффекты нелинейности: гравитационные волны имеют свойство взаимодействовать друг с другом, поэтому принцип суперпозиции волн в сильных полях уже не выполняется;
  • изменение геометрии видимого пространства-времени;
  • допускается развитие сингулярностей и возникновение чёрных дыр. Правда, это возможно лишь в случае потенциально бесконечно большой силы гравитации, что не доказано. В реальности же обнаруживаются лишь такие весьма плотные космические объекты, как нейтронные звёзды.

Гравитационное излучение[править]

Одним из предсказаний ОТО является гравитационное излучение, наличие которого до сих пор не подтверждено прямыми наблюдениями. Однако имеются косвенные наблюдательные свидетельства в пользу его существования, а именно: потери энергии в двойной системе с пульсаром PSR B1913+16 — пульсаром Халса-Тейлора — хорошо согласуются с моделью, в которой эта энергия уносится гравитационным излучением.

Согласно ОТО, гравитационное излучение могут генерировать только системы с переменным квадрупольным или более высокими мультипольными моментами. Мощность гравитационного i-польного источника пропорциональна ~(v/c)^{{2i+2}}, если мультиполь имеет электрический тип, и ~(v/c)^{{2i+4}} – если мультиполь магнитного типа[8], где v - характерная скорость движения источников в излучающей системе, а c – скорость света. Таким образом, доминирующим моментом получается квадрупольный момент электрического типа, а мощность соответствующего излучения равна:

~L={\frac  {1}{5}}{\frac  {G}{c^{5}}}\langle {\frac  {d^{3}Q_{{ij}}}{dt^{3}}}{\frac  {d^{3}Q^{{ij}}}{dt^{3}}}\rangle ,

где ~Q_{{ij}}тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа ~{\frac  {c^{5}}{G}}=3,63\times 10^{{52}} Вт позволяет оценить порядок величины мощности излучения.

Попытки прямого обнаружения гравитационного излучения предпринимаются с 1969 г.[9]. В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных детекторов (LIGO, VIRGO, TAMA, GEO 600), а также проект космического гравитационного детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna — лазерно-интерферометрическая космическая антенна). Наземный детектор в России разрабатывается в Научном Центре Гравитационно-Волновых Исследований "Дулкын" [3] республики Татарстан.

Тонкие эффекты гравитации[править]

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. До последнего времени преодоление этих трудностей представлялось за пределами возможностей экспериментаторов.

Среди них, в частности, можно назвать увлечение инерциальных систем отсчета (или эффект Лензе-Тирринга) и гравимагнитное поле. В 2005 году автоматический аппарат НАСА Gravity Probe B провёл эксперимент по измерению этих эффектов вблизи Земли, но результаты, представленные в 2007 г. оказались неоднозначными из-за больших погрешностей измерений.

Классические и современные теории гравитации[править]

Современной канонической теорией гравитации считается общая теория относительности (ОТО), так как она наиболее хорошо разработана и широко используется в современной небесной механике, астрофизике и космологии. Однако на сегодняшний день существует немало надёжно установленных и не объясняемых с помощью ОТО экспериментальных результатов. К ним относятся: эффект «Пионера»; пролётная аномалия (flyby anomaly); увеличение астрономической единицы; квадрупольно-октупольная аномалия фонового микроволнового излучения; тёмная энергия; тёмная материя[10].

Кроме ОТО, существует ещё множество уточняющих её гипотез и теорий различной степени разработанности, конкурирующих между собой.

Многие эти теории дают очень похожие предсказания в рамках того приближения, в котором в настоящее время осуществляются экспериментальные тесты (см. статью альтернативные теории гравитации). Далее описаны несколько основных, наиболее хорошо разработанных или известных теорий гравитации.

Общая теория относительности[править]

В стандартном подходе общей теории относительности (ОТО) гравитация рассматривается изначально не как силовое взаимодействие, а как проявление искривления пространства-времени. Таким образом, в ОТО гравитация интерпретируется как геометрический эффект, причём пространство-время рассматривается в рамках неевклидовой римановой (точнее псевдо-римановой) геометрии. Гравитационное поле (обобщение ньютоновского гравитационного потенциала), иногда называемое также полем тяготения, в ОТО отождествляется с тензорным метрическим полем или метрикой четырехмерного пространства-времени, а напряженность гравитационного поля – с аффинной связностью пространства-времени, определяемой метрикой. Стандартной задачей ОТО является определение компонент метрического тензора, в совокупности задающих метрику пространства-времени, по известному распределению источников энергии-импульса в рассматриваемой системе четырехмерных координат. В свою очередь знание метрики позволяет рассчитывать движение пробных частиц, что эквивалентно знанию свойств поля тяготения в данной системе. В связи с тензорным характером уравнений ОТО, а также со стандартным фундаментальным обоснованием её формулировки, считается, что гравитация также носит тензорный характер. Одним из следствий является то, что гравитационное излучение должно быть не ниже квадрупольного порядка.

Известно, что в ОТО имеются затруднения с объяснением факта неинвариантности энергии гравитационного поля, поскольку данная энергия не описывается тензором. В недавней работе[11] было показано, что принцип эквивалентности не выполняется в отношении массы-энергии самого гравитационного поля. В частности, гравитационная масса-энергия поля неподвижного тела, и инертная масса-энергия поля движущегося с постоянной скоростью этого же тела не совпадают друг с другом. Эта ситуация не объяснима в ОТО. В классической ОТО также возникает проблема описания спин-орбитального взаимодействия.

Считается, что в ОТО существуют определенные проблемы с однозначностью результатов и обоснованием непротиворечивости[12]. Прогресс в развитии ОТО отсутствовал также в связи с тем, что эта теория долгое время была не аксиоматизирована, как большинство других физических теорий. Построение систем аксиом позволило ограничить область применимости ОТО и указать возможности для построения более общих теорий[13]. Кроме этого была обнаружена несовместимость ОТО с квантовой механикой, включая затруднения со вторичным квантованием уравнений теории.

Однако экспериментально ОТО считается подтверждающейся до самого последнего времени. Так же многие альтернативные эйнштейновскому, но стандартные для современной физики, подходы к формулировке теории гравитации приводят к результату, совпадающему с ОТО в низкоэнергетическом приближении, которое в основном и доступно экспериментальной проверке. И, хоть считается, что ОТО совсем не внедряется во взаимодействии гравитационных полей, только и если решить взаимодействие объектов с наличием гравитации, без искривления пространства не обойтись, так, как одноимённые гравитационные потенциалы отталкиваются. Следовательно Альберту Эйнштейну было необходимо что-то добавить в систему, чтобы решить существование планетарных и звёздных систем, как галактик и более крупных компонентов во Вселенной. А, Фриц Цвикки ко всему эйнштейновскому добавил ещё тёмные материю и энергию, что решает все проблемы гравитационного отталкивания, чему доказательство компьютерная симуляция в проекте «Водолей». Где все составляющие системы гравитационного взаимодействия складываются:


F_{{_{G}}}={{\vec  {F}}_{{_{{+G}}}}}+{{\vec  {F}}_{{_{{-G}}}}}+{F}_{{_{{\otimes }}}}


Где, F_{{_{G}}} – сила гравитационного взаимодействия, {\vec  {F}}_{{_{{+G}}}} – сила гравитации, {\vec  {F}}_{{_{{-G}}}} – сила антигравитации, {F}_{{_{{\otimes }}}} – сила притяжения от искривления пространства гравитационными потенциалами.

Именно это объясняет слияние черных дыр с их запредельными одноимёнными гравитационными потенциалами, почему от этого астрономы и физики не могут отказаться. И, это решает, почему спутники не разлетаются от планет, планеты от звёзд, звёзды из галактик, а галактики из более огромных систем, в следствии того, что если убрать силу антигравитации «пресловутых» тёмных материи и энергии. Останется то, что минимально нейтрализует гравитационное отталкивание, не давая астрономическим объектам разлетаться по Вселенной, и это именно сила притяжения от искривления пространства гравитационными потенциалами:


F_{{_{{+G}}}}={\vec  {F}}_{{_{{\otimes }}}}-{\vec  {F}}_{{_{{\pm G}}}}


Где, F_{{_{{+G}}}} – сила гравитации, {\vec  {F}}_{{_{{\pm G}}}} – сила гравитационного отталкивания одноимённых гравитационных потенциалов, {\vec  {F}}_{{_{{\otimes }}}} – сила притяжения от искривления пространства гравитационными потенциалами.


Таким образом и получается, что сила гравитации в системах атомов и взаимодействия элементарных частиц выражается практически нейтрально или слабо. И, именно этим сам Альберт Эйнштейн заложил фундамент в ОТО для красного смещения Эдвина Хабла, как и для отдаления спутника Луна от планеты Земля в системе Земля-Луна, когда сила гравитации может выразиться отрицательным значением.[14]

Теория Эйнштейна-Картана[править]

Теория Эйнштейна-Картана (ЭК) предлагается как дополнение для ОТО, необходимое для описания метрики с участием вращающихся объектов [4]. В теории ЭК вводится аффинное кручение, а вместо неэвклидовой геометрии для пространства-времени используется геометрия Римана-Картана. В результате от метрической теории переходят к аффинной теории пространства-времени. Результирующие уравнения для метрики содержат два уравнения. Одно из них аналогично ОТО, с тем отличием, что в тензор кривизны включены компоненты с аффинным кручением. Второе уравнение содержит тензор кручения и тензор спина материи и излучения. В масштабах Солнечной системы получаемые поправки к ОТО слишком малы для их измерения.

Квантовая теория гравитации[править]

Несмотря на полувековую историю попыток, гравитация — единственное из фундаментальных взаимодействий, для которого пока ещё не построена непротиворечивая перенормируемая квантовая теория. При низких энергиях, в духе квантовой теории поля, гравитационное взаимодействие можно представить как обмен гравитонами — калибровочными бозонами со спином 2 (если исходить из концепции ОТО), или со спином 1 для лоренц-инвариантной теории гравитации (ЛИТГ).

Проблемой здесь является то, что при высоких энергиях описание для ОТО перестаёт работать. Поэтому в настоящее время квантовая гравитация является предметом интенсивных теоретических исследований. Описание некоторых подходов представлено в статье модели квантовой гравитации.

Релятивистская теория гравитации[править]

Релятивистская теория гравитации (РТГ) разрабатывается академиком Логуновым А.А. с группой сотрудников[15]. В своих работах они доказывают следующие отличия их теории от ОТО:

  • гравитация есть не геометрическое поле, а реальное физическое силовое поле, описываемое тензором.
  • гравитационные явления следует рассматривать в рамках плоского пространства Минковского, в котором однозначно выполняются законы сохранения энергии-импульса и момента количества движения. Тогда движение тел в пространстве Минковского эквивалентно движению этих тел в эффективном римановом пространстве.
  • В тензорных уравнениях для определения метрики следует учитывать массу гравитона, а также использовать калибровочные условия, связанные с метрикой пространства Минковского. Это не позволяет уничтожить гравитационное поле даже локально выбором какой-то подходящей системы отсчёта.

Как и в ОТО, в РТГ под веществом понимаются все формы материи (включая и электромагнитное поле), за исключением самого гравитационного поля. Следствия из теории РТГ таковы: чёрных дыр как физических объектов, предсказываемых в ОТО, не существует; Вселенная плоская, однородная, изотропная, неподвижная и евклидовая.

C другой стороны, существуют не менее убедительные аргументы противников РТГ, сводящиеся к следующим положениям:

  • РТГ есть биметрическая теория, эквивалентная так называемой полевой трактовке ОТО как надстройке над ненаблюдаемым пространством Минковского: "В релятивистской теории гравитации... фигурируют в точности те же лагранжианы..., которые приводят к уравнениям гравитационного поля"[16]; "математическое содержание РТГ сводится к математическому содержанию ОТО в полевой формулировке"[17]. Этот аргумент в таком изложении, по-видимому не учитывает возможных топологических различий между обычной моделью ОТО и РТГ, или же, по крайней мере, маскирует их.
  • Дополнительные уравнения РТГ представляют собой всего лишь координатные условия: "Весь набор уравнений РТГ в терминах метрики искривленного пространства-времени можно свести к уравнениям Эйнштейна плюс гармоническое координатное условие, столь успешно использовавшееся Фоком".
  • Вышеприведённые следствия из РТГ являются лишь следствием неточностей: несуществование чёрных дыр — следствием невозможности покрыть одним многообразием, эквивалентным пространству-времени Минковского, пространство-время сколлапсировавшего в чёрную дыру объекта; космологических предсказаний — следствием принятых координатных условий в сочетании с совершенно произвольным дополнительным допущением о вложенности световых конусов реального пространства в конусы пространства Минковского. Многие из этих аргументов в отношении РТГ следуют как бы из самой логики ОТО, а не из нейтральной или из более общей теории, что несколько снижает их значение и требует независимого подтверждения (например, экспериментом).

Теория Йордана-Бранса-Дикке[править]

В скалярно-тензорных теориях, самой известной из которых является теория Йордана-Бранса-Дикке (или просто Бранса-Дикке), гравитационное поле как эффективная метрика пространства-времени определяется воздействием не только тензора энергии-импульса материи, как в ОТО, но и дополнительного гравитационного скалярного поля [5]. Источником скалярного поля считается свёрнутый тензор энергии-импульса материи. Следовательно, скалярно-тензорные теории, как ОТО и РТГ, относятся к метрическим теориям, дающим объяснение гравитации, используя только геометрию пространства-времени и его метрические свойства. Наличие скалярного поля приводит к двум тензорным уравнениям для метрики. Теория Йордана-Бранса-Дикке вследствие наличия скалярного поля может рассматриваться также как действующая в пятимерном многообразии, состоящем из пространства-времени и скалярного поля.[18].

Дырочная теория гравитации[править]


В дырочной теории гравитация объясняется искривлением пространства-времени потоком дырок, испускаемых массивными телами.

Гравитация как всеобщий природный механизм[править]

В данной гипотезе окружающий мир существует только потому, что каждый миг бытия обеспечивается сохранением и передачей гравитационной (и электромагнитной) энергии. Соотношение между массой M и характерным размером R гравитационной системы зависит от параметров взаимодействующих объектов в данной системе и их конфигурации относительно внешних тел, от спроса и предложения энергии. Сущность тяготения между объектами природы можно свести к пониманию простого рыночного механизма: «Спрос рождает предложение». Земля имеет спрос на энергию для поддержания существования каждому своему элементу, и она её получает от Солнца и из космоса. Солнце точно также получает энергию от всевозможных внутренних и внешних источников энергии. Устойчивость планет на своих орбитах при движении вокруг Солнца говорит о почти неизменных потоках энергии, связанных с действующими гравитационными силами[19]. К описанному взгляду на гравитацию наиболее близка теория гравитации Лесажа.

Ковариантная теория гравитации[править]


В результате закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687) был включён в лоренц-инвариантную теорию гравитации, которая достаточно хорошо предсказывала общее поведение гравитации. В 1915 году Альбертом Эйнштейном была создана общая теория относительности (ОТО), описывающая явления в гравитационном поле в терминах геометрии пространства-времени и с учётом влияния гравитации на результаты пространственно-временных измерений.


Однако учёт лоренц-инвариантности гравитационной силы и запаздывания распространения гравитационного воздействия с помощью решения для потенциалов Льенара и Вихерта приводит к тому, что в движущихся с постоянной скоростью системах отсчёта возникает дополнительная компонента силы за счёт гравитационного поля кручения. Ситуация полностью эквивалентна ситуации с электрической силой, когда при движении наблюдателя он обнаруживает ещё магнитное поле и магнитную силу, пропорциональную скорости своего движения. Это делает необходимым учёт ограниченности скорости распространения гравитации, приводящей к свойству близкодействия и запаздывания гравитационного взаимодействия. В конце 19 и в начале 20 века усилиями ряда физиков – О. Хевисайда, А. Пуанкаре, Г. Минковского, А. Зоммерфельда, Х. Лоренца и др. – были заложены основы лоренц-инвариантной теории гравитации (ЛИТГ), описывающей гравитацию в инерциальных системах отсчёта при релятивистских скоростях.


Ковариантная теория гравитации (КТГ) включает в себя лоренц-инвариантную теорию гравитации (ЛИТГ) и метрическую теорию относительности (МТО). ЛИТГ справедлива в инерциальных системах отсчёта и в слабых гравитационных полях. В ЛИТГ сила гравитации является реальной физической силой, описывается уравнениями для напряжённостей поля согласно работам Сергея Федосина[20], что по виду напоминают уравнения Максвелла, а в пределе слабого поля практически совпадают с уравнениями, вытекающими из ОТО, [6] смотри также гравитоэлектромагнетизм и максвеллоподобные гравитационные уравнения.

Поскольку в ЛИТГ гравитационное поле является векторным, имеющим две компоненты (гравитационное ускорение и кручение ), то становится допустимым дипольное гравитационное излучение от ускоряемых массивных тел. Такое излучение может появиться, например, при ускоренном движении тела под действием негравитационной силы. Однако в закрытой системе тел общее дипольное гравитационное излучение стремится к нулю из-за взаимной компенсации излучений отдельных тел, и доминирующим становится квадрупольное излучение, как в ОТО.

КТГ отличается от ОТО своими уравнениями движения. Если в ОТО применятся одно и то же уравнение движения и для частиц и для квантов поля (как следствие принципа эквивалентности), то в КТГ уравнения движения для частиц и квантов различаются и являются развёрнутым применением закона сохранения энергии-импульса в векторно-тензорной форме[21].

При решении задач в КТГ необходимо решать систему дифференциальных уравнений трёх типов – уравнения для компонент гравитационного поля, уравнения для метрики, и уравнения движения. При этом движение масс как источников поля изменяет картину поля, и метрика меняется не только за счёт изменения конфигурации масс, но и за счёт изменения напряжённостей гравитационных полей. Уравнение движения вещества в КТГ, в отличие от ОТО, позволяет описывать реактивное движение, переходя в слабом поле в релятивистское уравнение Мещерского.

Метрическая теория относительности (МТО) используется как одно из оснований КТГ и позволяет производить преобразования физических величин из одной системы отсчёта в другую. Особенностью МТО является использование не принципа эквивалентности ОТО, а принципа эквивалентности энергии-импульса. Вместо приравнивания сил инерции и гравитации в МТО используется эквивалентность тензора энергии-импульса для описания подобных друг другу движений. Такой подход кажется предпочтительней, так как не силы, а именно энергии входят в формулы для определения метрики.

После осуществления аксиоматизации ОТО стало ясно, что общая относительность является частным случаем МТО, гравитационное поле в ОТО определяется как геометрическое тензорное поле метрики и отличается от физического векторного поля гравитационных потенциалов в КТГ, а уравнение движения материи ОТО может быть выведено из ковариантных уравнений движения КТГ[22].

Теория гравитации в микромире[править]


Появившаяся в 2010 году, полевая теория элементарных частиц позволила вычислить среднюю плотность электромагнитной массы покоящейся элементарной частицы, с учетом ее полевого строения. Поскольку элементарные частицы приплюснуты с полюсов, то создаваемое ими гравитационное поле будет резко отличаться от гравитационного поля шарика того же радиуса и той же массы.

Теория гравитации элементарных частиц позволяет определить картину гравитационного поля создаваемого покоящейся элементарной частицей в пространстве, окружающем ее и вычислить максимальную величину напряженности такого поля. Тем самым, подставляя параметры той или иной элементарной частицы в уравнения теории, можно определить силу ее гравитации в микромире и покончить со СКАЗКАМИ по поводу "сильной" гравитации.

частица m0(МэВ) ρ(кг/м3) Em(м/сек2)
p 938,2720813 1,24*1019 8,4*10-7
n 939,5654133 1,4*1019 9,45*10-7
e 0,510998946 5,7*106 4,8*10-16
Ve 0,00000028 5,2*10-19 7,98*10-35

В таблице, для наиболее распространенных в природе элементарных частиц: протона, нейтрона, электрона и электронного нейтрино приведены средняя плотность (ρ) электромагнитной материи элементарной частицы и максимальное значение напряженности гравитационного поля (Em), достигаемое на границе кольцевой области вращения электромагнитной материи элементарной частицы. Особенно слабым является гравитационное поле, создаваемое электронным нейтрино.

Как видим, гравитация не так сильна, как рисуют некоторые абстрактные теоретические построения. Даже у протона предельная величина напряженности (создаваемого им) гравитационного поля на семь порядков слабее, чем напряженность гравитационного поля на поверхности Земли. Следовательно: эффекты Общей теории относительности не могут наблюдаться внутри атомных ядер.

Предельным случаем теории гравитации элементарных частиц получается Классическая теория тяготения Ньютона, результаты которой, при таких значениях напряженности гравитационного поля, совпадают с результатами Общей теории относительности.

Полевая теория элементарных частиц, установив электромагнитное строение элементарных частиц, определила тем самым природу гравитации, как способность энергии электромагнитных полей к притяжению - подтвердив существование в природе электромагнитной формы гравитации, как физика гениально предвидела сто лет назад. Здесь не надо смешивать с электромагнитными силами, как притяжения, так и отталкивания, которые тоже существуют в природе.

Поскольку все вещество Вселенной состоит из элементарных частиц, а последние состоят из электромагнитного поля (чего упорно не желают признавать сторонники Стандартной модели - модели, построенной на не существующих в природе кварках и глюонах), то, следовательно, гравитационное поле атомов и молекул создается электромагнитными полями их элементарных частиц, а точнее, содержащейся в этих полях энергией.

В XX и XXI веках в физике появилось множество теоретических построений, названных авторами «теориями гравитации». Со временем физика даст им свою оценку, но что бы ни говорили авторы этих теоретических построений (а точнее гипотез), гравитационные поля в природе создаются элементарными частицами, из которых и состоит вещество. Наличие в природе иных гравитационных полей и иных форм гравитации (вместо, существующей в природе, электромагнитной формы) предстоит не постулировать, а доказать.

Сущность гравитации[править]

В ОТО гравитация возникает как следствие искривления пространства-времени вблизи массивных тел, однако причины подобного искривления не определяются. Структуру гравитационного поля пытаются определить также в квантовой гравитации с помощью методов квантовой теории поля. Одной из проблем здесь является то, что до сих пор не доказано, что гравитоны действительно должны иметь спин, кратный постоянной Дирака. В теории бесконечной вложенности материи осуществляется подобие уровней материи и распределение всех природных объектов по различным уровням в зависимости от масс и размеров. Предполагается, что теория гравитации Лесажа справедлива для всех уровней материи, причём включение в потоки гравитонов заряженных релятивистских частиц позволяет дополнительно объяснить происхождение кулоновской силы между электрическими зарядами[23].

Согласно теории, каждый материальный объект состоит из частиц, принадлежащих низшим уровням материи, а каждый волновой квант может быть разложен на более мелкие кванты. Между веществом и квантами поля имеется связь, заключающаяся в том, что они генетически порождают друг друга на разных уровнях материи. В частности находится, что гравитонами для обычной гравитации могут быть кванты поля, излучаемые частицами, из которых строится вещество нуклонов[24]. В рассмотрение вводится также сильная гравитация, действующая на уровне элементарных частиц. На основе сильной гравитации и поля кручения обосновывается гравитационная модель сильного взаимодействия. Одним из следствий этого является то, что гравитационное и электромагнитное поля являются фундаментальными полями, действующими на разных уровнях материи посредством полевых квантов, с различной величиной своего спина и энергии, с различной проникающей способностью в веществе, как и с различными влияниями на вещество.

Покуда происходят теоретические изыскания в том, что есть гравитация, значение гравитации, как вторая сторона сущности значительная для каждого. Гравитация зажигает звёзды, ведь, газовые планеты не становятся звёздами, а только при давлении в 4 миллиарда атмосфер, что создаётся гравитацией, вспыхивают новорождённые звёзды созданные из космических газа и пыли. Посредством гравитации живёт всё на планете Земля, и всё происходит, как и не всё происходит чему запрещает быть гравитация. Так же в солнечной системе планеты продолжают свой длительный полёт вокруг зародившегося Солнца примерно 4,5 миллиарда лет назад, и Солнце продолжает своё шествие со многими звёздами в галактике Млечный Путь. И, этого для земных жителей достаточно, потому, что галактика Млечный Путь зародившаяся примерно 12,5 миллиардов лет назад будет продолжать своё одиночное движение ещё четыре миллиарда лет, а за это время Солнечная система и планета Земля будут продолжать свою совместную жизнь, если не произойдут коренные события по вине беспечности человечества.[25]

Литература[править]

  • «Математические начала натуральной философии.» (ориг. Philosophiae naturalis Principia mathematica), Исаак Ньютон, 1687 год.
  • «On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae.» Fritz Zwicky, 1937 год.
  • «Гравитация и космология. Принципы и приложения общей теории относительности» (англ. Gravitation and Cosmology), С. Вейнберг (англ. Steven Weinberg), изд. Мир, 1975 год.
  • «Гравитационная постоянная в астрономии.», В. К. Милюков, М. У Сагитов, издательство: Знание, 1985 год.
  • «Физика. книга первая, Механика.», Евгений Бутиков, Александр Кондратьев, издательство: Физматлит, 2004 год.
  • «Физика, 10 класс.», Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский, учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений, базовый и профильный уровни, рекомендовано Министерством Образования и Науки, издательство: Просвещение, 2010 год.
  • «Теория относительности для миллионов.», Мартин Гарднер.

Внешние ссылки[править]

  1. Статья в "Физической энциклопедии"
  2. Горунович В.А. Теория гравитации элементарных частиц, часть 1, и часть 2

См. также[править]


Теории гравитации
Стандартные теории гравитации Альтернативные теории гравитации Квантовые теории гравитации теории "всего"

Классическая физика

Релятивистская физика

Физика поля

Принципы

Классические

Релятивистские

  • Каноническая квантовая гравитация [19]
  • Петлевая квантовая гравитация [20]
  • Полуклассическая гравитация [21]
  • Причинная динамическая триангуляция [22]
  • Евклидова квантовая гравитация [23]
  • Уравнение Уилера — ДеВитта [24]
  • Индуцированная гравитация [25]
  • Некоммутативная геометрия [26]

Многомерные

  • Общая теория относительности в многомерном пространстве [27]
  • Теория Калуцы — Клейна [28]

Струнные

  • Теория струн [29]
  • Теория суперструн [30]
  • М-теория [31]

Прочие


Действующие в природе теории поля:


Примечания[править]

  1. Размер планетарных спутников от нескольких десятков до нескольких тысяч км.
  2. Размер планет от нескольких тысяч до сотни тысяч км.
  3. Размер звёздных систем в пределах одного св. года до 10 св. лет.
  4. Размер галактик в пределах 50-700 св. лет.
  5. Размер галактических скоплений в пределах 100-150 млн св. лет.
  6. Размер суперкластеров в пределах 500-700 млн св. лет.
  7. В ньютоновской механике сила гравитации (притяжения или тяжести) выражается сложением двух сил, что постулировал сам Ньютон, чего нет ни в современных учебниках и энциклопедиях, в следствии этого появляется противоречие относительно знака вектора силы или неправильные толки силы гравитации с такими же уравнениями.
  8. См. аналогии между слабым гравитационным полем и электромагнитным полем в статье [1].
  9. Эксперименты Вебера [2]
  10. C. Lämmerzahl, O. Preuss, H. Dittus. Is the physics within the Solar system really understood? arxiv:gr-qc/0604052v1, 11 Apr. 2006
  11. Fedosin S.G. Mass, Momentum and Energy of Gravitational Field. Journal of Vectorial Relativity, September 2008, Vol. 3, No. 3, P.30–35; статья на русском языке: Масса, импульс и энергия гравитационного поля
  12. Логунов А.А., Мествиришвили М.А. Основы релятивистской теории гравитации. – Изд-во МГУ, 1986, с. 308
  13. Комментарии к книге: Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи. Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0
  14. Спутник Луна отдаляется от планеты Земля примерно на 4 сантиметра за земной год.
  15. Логунов А.А., Мествиришвили М.А. Релятивистская теория гравитации. – М: Наука, 1989; Логунов А.А., Мествиришвили М.А. Тензор энергии-импульса материи как источник гравитационного поля. – Теоретическая и математическая физика, 1997, Т. 110, Вып. 1, Стр. 5 – 24
  16. Зельдович Я. Б., Грищук Л. П. ТЯГОТЕНИЕ, ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТЕОРИИ. УФН, 1986, Т. 149, № 4, с. 695-707. С. 704
  17. Зельдович Я. Б., Грищук Л. П. Общая теория относительности верна! УФН, 1988, Т. 155, № 3, с. 517-527. С. 521
  18. Brans, C. H.; Dicke, R. H. (November 1 1961). «Mach’s Principle and a Relativistic Theory of Gravitation». Physical Review 124 (3): 925—935. DOI:10.1103/PhysRev.124.925. Retrieved on 2006-09-23
  19. Котельников В.П. "Гравитация глазами практика", изд. 2000 г., г. Сызрань Самарская область, e-mail: koff45@mail.ru
  20. Физика и философия подобия от преонов до метагалактик, Пермь: Стиль-МГ, 1999, ISBN 5-8131-0012-1. 544 стр., Табл.66, Ил.93, Библ. 377 назв., S.G. Fedosin. «Electromagnetic and Gravitational Pictures of the World». Apeiron, Vol. 14, No. 4, P. 385-413, 2007; статья на русском языке: Электромагнитная и гравитационная картины мира.
  21. Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи, Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0
  22. Fedosin S.G. The General Theory of Relativity, Metric Theory of Relativity and Covariant Theory of Gravitation: Axiomatization and Critical Analysis. International Journal of Theoretical and Applied Physics (IJTAP), ISSN: 2250-0634, Vol.4, No. I (2014), pp. 9-26; статья на русском языке: Общая теория относительности, метрическая теория относительности и ковариантная теория гравитации. Аксиоматизация и критический анализ
  23. Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи, Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0
  24. Комментарии к книге: Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи. Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0
  25. Человечеству примерно всего 10 000 лет существования, а жить осталось возможно очень мало по человеческой беспечности или земной и солнечной причинности.