Полезное знание под угрозой удаления из Википедии или другого сайта?
Сохраните его на Викизнании или Вавилон-wiki!

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

Гравитационное взаимодействие[править]

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 сигарообразные волокна, примыкающие к узлам с самыми массивными скоплениями галактик.

Гравитационное взаимодействие — самое слабое из фундаментальных взаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики, гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, согласно которому сила гравитационного притяжения между двумя телами массы ~m_{1} и ~m_{2}, разделённых расстоянием ~R есть

~F=-G\cdot {m_{1}\cdot m_{2} \over R^{2}}.

Здесь ~Gгравитационная постоянная, равная ~6,673(10)\cdot 10^{{-11}} м3/(кг с2). Знак минус означает, что сила, действующая на пробное тело, всегда направлена по радиус-вектору от пробного тела к источнику гравитационного поля, т. е. гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению 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, что 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 и сила зависят только от положения тела в данный момент времени. 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.

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.

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.

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 (см. аналогии между слабым гравитационным полем и электромагнитным полем в статье [1]), 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. (эксперименты Вебера [2]). 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.

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.

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 (C. Lämmerzahl, O. Preuss, H. Dittus. Is the physics within the Solar system really understood? arxiv:gr-qc/0604052v1, 11 Apr. 2006).

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 (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) 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 (Логунов А.А., Мествиришвили М.А. Основы релятивистской теории гравитации. – Изд-во МГУ, 1986, с. 308). 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 (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). 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.

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.

Релятивистская теория гравитации[править]

Релятивистская теория гравитации (РТГ) разрабатывается академиком Логуновым А.А. с группой сотрудников (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). 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" (Зельдович Я. Б., Грищук Л. П. ТЯГОТЕНИЕ, ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТЕОРИИ. УФН, 1986, Т. 149, № 4, с. 695-707. С. 704); "математическое содержание РТГ сводится к математическому содержанию ОТО в полевой формулировке" (Зельдович Я. Б., Грищук Л. П. Общая теория относительности верна! УФН, 1988, Т. 155, № 3, с. 517-527. С. 521). 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. (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).

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 (Котельников В.П. "Гравитация глазами практика", изд. 2000 г., г. Сызрань Самарская область, e-mail: koff45@mail.ru). К описанному взгляду на гравитацию наиболее близка теория гравитации Лесажа.

Ковариантная теория гравитации[править]

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: 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. Уравнения поля в ЛИТГ имеют вид:

~\nabla \cdot {\mathbf  {\Gamma }}=-4\pi G\rho ,
~\nabla \cdot {\mathbf  {\Omega }}=0,
~\nabla \times {\mathbf  {\Gamma }}=-{\frac  {\partial {\mathbf  {\Omega }}}{\partial t}},
~\nabla \times {\mathbf  {\Omega }}={\frac  {1}{c_{{g}}^{2}}}\left(-4\pi G{\mathbf  {J}}+{\frac  {\partial {\mathbf  {\Gamma }}}{\partial t}}\right)={\frac  {1}{c_{{g}}^{2}}}\left(-4\pi G\rho {\mathbf  {v}}_{{\rho }}+{\frac  {\partial {\mathbf  {\Gamma }}}{\partial t}}\right),

где:

Данные уравнения 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.

Поле кручения является аналогом магнитной компоненты поля в электромагнетизме. Выражение для гравитационной силы имеет следующий вид:

~{\mathbf  {F}}_{{m}}=m\left({\mathbf  {\Gamma }}+{\mathbf  {v}}_{{m}}\times {\mathbf  {\Omega }}\right),

где:

  • m – масса частицы, на которую действует сила,
  • vm – скорость частицы.

Для кручения за пределами вращающегося тела из вышеприведенных уравнений поля можно вывести формулу:

~{\mathbf  {\Omega }}={\frac  {G}{2c_{{g}}^{2}}}{\frac  {{\mathbf  {L}}-3({\mathbf  {L}}\cdot {\mathbf  {r}}/r){\mathbf  {r}}/r}{r^{3}}},

где L есть момент импульса вращения тела.

Как следствие поля кручения в гравитационных явлениях возможен эффект гравитационной индукции.

Для плотности энергии и вектора плотности потока энергии гравитационного поля (вектора Хевисайда) получается:

~u=-{\frac  {1}{8\pi G}}\left(\Gamma ^{2}+c_{{g}}^{2}\Omega ^{2}\right),
~{\mathbf  {H}}=-{\frac  {c_{{g}}^{2}}{4\pi G}}{\mathbf  {\Gamma }}\times {\mathbf  {\Omega }}.

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.

В ЛИТГ, как и в электромагнетизме, находятся скалярный и векторный потенциалы гравитационного поля, тензор гравитационного поля, а также тензор энергии-импульса гравитационного поля ~U^{{ik}}.

В слабых полях пространство-время описывается единичным метрическим тензором пространства Минковского, и уравнения поля лоренц-инвариантны. При больших скоростях движения частиц или в достаточно сильных полях необходимо учитывать влияние гравитационного поля на результаты пространственно-временных измерений. Например, гравитация способна отклонять лучи света от первоначального направления и изменять их скорость. Для учёта сильных полей осуществляется переход от ЛИТГ к КТГ, путём замены в формулах метрического тензора ~\eta ^{{ik}} пространства Минковского на метрический тензор ~g^{{ik}} искривлённого псевдориманова пространства. Это позволяет представить уравнения КТГ в ковариантном тензорном виде и с учётом изменённого метрического тензора. Тензорные уравнения гравитационного поля в произвольной системе отсчёта через ковариантные производные имеют вид:

~\nabla _{n}\Phi _{{ik}}+\nabla _{i}\Phi _{{kn}}+\nabla _{k}\Phi _{{ni}}=0,
~\nabla _{k}\Phi ^{{ik}}={\frac  {4\pi G}{c_{{g}}^{2}}}J^{i},

где ~J^{i} есть 4-вектор плотности импульса (плотности тока массы), порождающий гравитационное поле, ~\Phi _{{ik}} – антисимметричный тензор гравитационного поля, состоящий из компонент ~{\mathbf  {\Gamma }} и ~{\mathbf  {\Omega }}.

С помощью тензора ~\Phi _{{ik}} строится тензор энергии-импульса гравитационного поля:

~U^{{ik}}={\frac  {c_{{g}}^{2}}{4\pi G}}\left(-g^{{im}}\Phi _{{mr}}\Phi ^{{rk}}+{\frac  {1}{4}}g^{{ik}}\Phi _{{rm}}\Phi ^{{mr}}\right).

Благодаря наличию тензора ~U^{{ik}} в КТГ автоматически решается проблема ОТО с тензором плотности энергии-импульса гравитационного поля. Данный тензор участвует в решении всех задач при нахождении метрики, входя в общий тензор энергии-импульса. Совместно с граничными условиями (например, на поверхности массивных тел и на бесконечности) это задаёт условия, необходимые для правильной идентификации систем отсчёта, позволяя избежать соответствующей проблемы ОТО. Расчёты, произведённые в отношении вклада энергии гравитационного поля в метрику, показали, что добавка имеет величину второго порядка (Федосин С.Г. 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.).

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 (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). 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 (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).

Гравитация и полевая теория элементарных частиц[править]

Информация данного блока статьи достоверна, пока она не подверглась вандальной правке.

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. Уравнения гравитационного поля элементарных частиц, из которых состоит все вещество Вселенной, следующие:

в дифференциальной форме

d\Gamma ={\frac  {~G}{8\pi c^{2}}}{\frac  {(E^{2}+H^{2})}{r^{2}}}dv (1)

или в интегральной форме:

~{\mathbf  {\Gamma }}={\frac  {~G}{8\pi c^{2}}}\int {\frac  {(E^{2}+H^{2})}{r^{2}}}{\mathbf  {~n}}dv (2) (уравнение Горуновича для напряженности гравитационного поля элементарной частицы)

Последнее уравнение можно записать и в более привычной форме, введя понятие плотности электромагнитного вещества ~\rho :

~{\mathbf  {\Gamma }}={~G}\int {\frac  {~\rho }{r^{2}}}{\mathbf  {~n}}dv (3)

где

~\rho ={\frac  {(E^{2}+H^{2})}{8\pi c^{2}}} (4) (формула Эйнштейна-Горуновича, вытекающая из классической электродинамики)

(В статье Теория гравитации элементарных частиц представлено обоснование достоверности данных формул, отличающихся от общепринятых.)

Где определенный интеграл вектора берется по всему электромагнитному полю элементарной частицы, ~{\mathbf  {\Gamma }} - вектор напряженности гравитационного поля, dГ – напряженность гравитационного поля, создаваемая элементарным объемом элементарной частицы dv, E – напряженность электрического поля элементарной частицы (как постоянного, так и переменного), H – напряженность магнитного поля элементарной частицы (как постоянного, так и переменного), r – расстояние от элементарного объема элементарной частицы dv до точки наблюдения, n = r/|r| — единичный вектор из точки наблюдения в точку интегрирования, |...| - модуль вектора, ~Gгравитационная постоянная, c - скорость света. ВНИМАНИЕ: в формулах напряженности гравитационного поля интегрируются не скалярные величины - а вектора, и их надо складывать по правилам сложения векторов.

В дальней зоне, когда линейными размерами источника гравитационного поля можно пренебречь, получается хорошо известное в физике уравнение:

~{\mathbf  {\Gamma }}=-{\frac  {GM}{R^{2}}}{\frac  {{\mathbf  {R}}}{R}}. (5)

Как видим, в ближней зоне (на расстояниях, сопоставимых с размерами источника гравитационного поля) формула (5) дает ошибку и поэтому напряженность гравитационного поля, вблизи или внутри гравитационных объектов должны рассчитываться по формулам интегрирования векторов (2) или (3). Это относится в первую очередь к так называемым "черным дырам" - гипотетическим массивным гравитационным объектам, порожденным в двадцатом веке математикой и незнанием строения элементарных частиц астрофизикой.


Из приведенных уравнений следует отсутствие антигравитации в природе – как не комбинируй вектора E и H, а в итоге получится величина всегда одного знака, соответствующего силам притяжения. Конечно, можно ввести многомерные пространства, в которых появятся отрицательные значения, но это будет очередная математическая сказка, не соответствующая природе. Выдумать можно все, что придет в голову, но природа устроена так, как она устроена – она была до нас и будет после нас. Сказочный бозон Хиггса также не имеет никакого отношения к гравитационному полю, за исключением того, что создается его собственным электромагнитным полем.

Из полевой теории элементарных частиц также следует отсутствие гравитонов в природе - в природе есть просто элементарные частицы, являющиеся источниками гравитационного поля, а сказочные переносчики гравитационных взаимодействий, это из мира математических сказок. Гравитоны природе не нужны и в списке элементарных частиц ГРАВИТОНОВ НЕТ. - Не всякое теоретическое построение соответствует природе. Владимир Горунович

Основные формулы теории гравитации элементарных частиц[править]

Основная статья: [7] и Теория гравитации элементарных частиц

Разработанная первая часть теории гравитации элементарных частиц, определила структуру гравитационного поля, создаваемого свободной покоящейся элементарной частицей.

Вводятся обозначения из полевой теории элементарных частиц:

~{r_{{0\sim }}}={\frac  {L{\hbar }}{m_{{0\sim }}{c}}} - радиус элементарной частицы (среднее расстояние от центра элементарной частицы, на котором сосредоточена масса вращающегося переменного электромагнитного поля);
~{r_{\sim }}={\frac  {{\hbar }}{2m_{{0\sim }}{c}}} - радиус кольцевой области (в которой вращается переменное электромагнитное поле)
~{m_{{0\sim }}} - масса, заключенная в переменном электромагнитном поле;
~{m_{{=0}}} - масса постоянного электрического и постоянного магнитного поля, заключенная в кольцевой области;
~\rho _{{=}}={\frac  {(E_{{=}}^{2}+H_{{=}}^{2})}{8\pi c^{2}}} - плотность вещества постоянного электрического и постоянного магнитного поля за пределами кольцевой области;
~\rho _{{\sim }}={\frac  {(E_{{\sim }}^{2}+H_{{\sim }}^{2})}{8\pi c^{2}}} - плотность вещества переменного электромагнитного поля в кольцевой области;
~\beta ={\frac  {r_{{0\sim }}}{R}} где R - расстояние от центра элементарной частицы до точки наблюдения;
~{r} - расстояние от центра кольцевой области до точки наблюдения (внутри кольцевой области);
~{\mathbf  {~n}} - единичный вектор.

Для упрощения математических выражений,свободная покоящаяся элементарная частица располагается в плоскости (X,Y) с центром, совпадающим с началом координат. Z равна высоте над плоскостью элементарной частицы.

Пространство разделяется на две зоны:

кольцевую область - область основных источников гравитационного поля (~{m_{{0\sim }}} и ~{m_{{=0}}}),
внешнюю область (за пределами кольцевой области) в которой распространяется поле, созданное кольцевой областью, а также создается поле от третьего источника: ~\rho _{{=}}.

Получены следующие основные уравнения:

Напряженность компоненты гравитационного поля элементарной частицы, создаваемого электромагнитными полями внутренней области радиуса r на поверхности геометрической фигуры внутри кольцевой области:

~{\mathbf  {\Gamma }}_{r}\approx \ {4\pi {~G}}{\frac  {\int \limits _{{0}}^{{r}}\rho _{{\sim }}(x)xdx}{r}}{\mathbf  {~n}}+{4~G}{\frac  {m_{{0\sim }}^{3}{c}^{3}}{L\pi {\hbar }^{3}}}{m_{{=0}}}r{\mathbf  {~n}}

Напряженность гравитационного поля элементарной частицы во внешней области (за пределами кольцевой области):

~{\mathbf  {\Gamma }}_{{x}}={~G}{\frac  {(m_{{0\sim }}+m_{{=0}})}{2\pi }}{\int \limits _{{0}}^{{2\pi }}{\frac  {({r_{{0\sim }}}cos{\phi }-x)}{[({x-{r_{{0\sim }}}cos{\phi }})^{2}+({y-{r_{{0\sim }}}sin{\phi }})^{2}+z^{2}]^{{3/2}}}}d{\phi }}+{~G}\int {\frac  {\rho _{{=}}(x_{0}-x)}{[({x-x_{0}})^{2}+({y-y_{0}})^{2}+({z-z_{0}})^{2}]^{{3/2}}}}dv
~{\mathbf  {\Gamma }}_{{y}}={~G}{\frac  {(m_{{0\sim }}+m_{{=0}})}{2\pi }}{\int \limits _{{0}}^{{2\pi }}{\frac  {({r_{{0\sim }}}sin{\phi }-y)}{[({x-{r_{{0\sim }}}cos{\phi }})^{2}+({y-{r_{{0\sim }}}sin{\phi }})^{2}+z^{2}]^{{3/2}}}}d{\phi }}+{~G}\int {\frac  {\rho _{{=}}(y_{0}-y)}{[({x-x_{0}})^{2}+({y-y_{0}})^{2}+({z-z_{0}})^{2}]^{{3/2}}}}dv
~{\mathbf  {\Gamma }}_{{z}}=-{~G}{\frac  {(m_{{0\sim }}+m_{{=0}})}{2\pi }}{\int \limits _{{0}}^{{2\pi }}{\frac  {z}{[({x-{r_{{0\sim }}}cos{\phi }})^{2}+({y-{r_{{0\sim }}}sin{\phi }})^{2}+z^{2}]^{{3/2}}}}d{\phi }}+{~G}\int {\frac  {\rho _{{=}}(z_{0}-z)}{[({x-x_{0}})^{2}+({y-y_{0}})^{2}+({z-z_{0}})^{2}]^{{3/2}}}}dv
~\left|{\mathbf  {\Gamma }}\right|={\sqrt  {{{\mathbf  {\Gamma }}_{{x}}^{2}}+{{\mathbf  {\Gamma }}_{{y}}^{2}}+{{\mathbf  {\Gamma }}_{{z}}}^{2}}}

Из полученных уравнений следует, что гравитационное поле элементарной частицы обладает симметрией относительно оси, проходящей через центр элементарной частицы и перпендикулярной плоскости частицы, что является следствием строения элементарной частицы. Сферической симметрией гравитационное поле элементарной частицы НЕ обладает.


Напряженность симметричной компоненты гравитационного поля создаваемого кольцевой областью элементарной частицы во внешней зоне (за пределами кольцевой области):

~{\mathbf  {\Gamma }}_{{S}}=-{~G}{\frac  {(m_{{0\sim }}+m_{{=0}})}{{R}^{2}}}{\mathbf  {~n}}_{{R}}{\frac  {1}{(1+{\beta }^{2})^{{3/2}}}}

Напряженность гравитационного поля создаваемого кольцевой областью элементарной частицы в плоскости элементарной частицы во внешней зоне (за пределами кольцевой области):

~{\mathbf  {\Gamma }}_{{R}}={~G}{\frac  {(m_{{0\sim }}+m_{{=0}})}{2\pi {R}^{2}}}{\mathbf  {~n}}_{{R}}{\int \limits _{{0}}^{{2\pi }}{\frac  {({\beta }sinx-1)}{(1+{\beta }^{2}-2{\beta }sinx)^{{3/2}}}}dx}

Градиент гравитационного поля элементарной частицы внутри кольцевой области:

~{\frac  {d{\mathbf  {\Gamma }}}{dr}}={4\pi {~G}}{\frac  {\int \limits _{{0}}^{{r}}\rho _{{\sim }}(x)xdx}{r^{2}}}-4\pi {~G}\rho _{{\sim }}-{4~G}{\frac  {m_{{0\sim }}^{3}{c}^{3}}{L\pi {\hbar }^{3}}}{m_{{=0}}}

Как следует из последней формулы, источниками гравитационного поля элементарной частицы являются ее электромагнитные поля (как переменное, так и постоянные). Распространение гравитационного поля в пространстве определяется геометрией пространства.

Не стоит забывать, что в приведенных формулах в параметре ~\beta присутствуют ~{R} и ~r_{{0\sim }} (из полевой теории элементарных частиц).

В разрабатываемой теории, естественно, не нашлось места для гравитонов, гравитино и конечно сказочного "бозона Хиггса", за который с упорством, достойным лучшего применения, пытаются выдать обыкновенный векторный мезон.

Из приведенных уравнений следует, что гравитационное поле свободной покоящейся элементарной частицы несет в себе информацию о массе покоя частицы, ее местоположении в пространстве, ориентации спина а также ее полевом радиусе (~r_{{0\sim }}). Полученные теорией гравитации элементарных частиц, уравнения напряженности гравитационного поля можно свести к общепринятым, предположив в них равенство нулю полевого радиуса элементарной частицы (~r_{{0\sim }}), чего в природе быть не может - точечные источники гравитации есть продукт математических сказок.


В двадцатом веке 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. Владимир Горунович

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 ħ. 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 (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). 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 (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). 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 уровням материи посредством полевых квантов с различной величиной своего спина и энергии, и с различной проникающей способностью в веществе.

Гравитация в микромире[править]


Раздел с таким названием просуществовал в мировой Википедии 8 минут, и был удален одним из администраторов сайта, не имеющим профильного физического образования, но считающим себя в праве командовать учеными-физиками. Мотивировка: маргинальщина.

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.

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 [20]
  • Петлевая квантовая гравитация [21]
  • Полуклассическая гравитация [22]
  • Причинная динамическая триангуляция [23]
  • Евклидова квантовая гравитация [24]
  • Уравнение Уилера — ДеВитта [25]
  • Индуцированная гравитация [26]
  • Некоммутативная геометрия [27]

Многомерные

  • Общая теория относительности в многомерном пространстве [28]
  • Теория Калуцы — Клейна [29]

Струнные

  • Теория струн [30]
  • Теория суперструн [31]
  • М-теория [32]

Прочие


Действующие в природе теории поля: