Гравитационное взаимодействие - одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики , гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m 1 и m 2 , разделёнными расстоянием R , пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния - то есть

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

Закон всемирного тяготения - одно из приложений закона обратных квадратов, встречающегося так же и при изучении излучений (см. например, Давление света), и являющимся прямым следствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, что приводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадь всей сферы.

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 (то есть движение трёх тел с ненулевыми массами) не может быть решена аналитически в общем виде. При численном же решении, достаточно быстро наступает неустойчивость решений относительно начальных условий. В применении к Солнечной системе , эта неустойчивость не позволяет предсказать движение планет на масштабах, превышающих сотню миллионов лет.

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

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

Сильные гравитационные поля

В сильных гравитационных полях, 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 пространства-времени;
• возникновение черных дыр ;

Гравитационное излучение

Одним из важных 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.

Гравитационное излучение могут генерировать только системы с переменным квадрупольным или более высокими мультипольными моментами , этот факт говорит о том, что гравитационное излучение большинства природных источников направленное, что существенно усложняет его обнаружение. Мощность гравитационного l -польного источника пропорциональна (v / c ) 2l + 2 , если мультиполь имеет электрический тип, и (v / c ) 2l + 4 - если мультиполь магнитного типа , где v - характерная скорость движения источников в излучающей системе, а c - скорость света. Таким образом, доминирующим моментом будет квадрупольный момент электрического типа, а мощность соответствующего излучения равна:

где Q i j - тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа (1/Вт) позволяет оценить порядок величины мощности излучения.

Начиная с 1969 года (эксперименты Вебера (англ.)) и до настоящего времени (февраль 2007) предпринимаются попытки прямого обнаружения гравитационного излучения. В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных детекторов (GEO 600), а также проект космического гравитационного детектора республики Татарстан .

Тонкие эффекты гравитации

Помимо классических эффектов гравитационного притяжения и замедления времени, общая теория относительности предсказывает существование других проявлений гравитации, которые в земных условиях весьма слабы и их обнаружение и экспериментальная проверка поэтому весьма затруднительны. 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 гравитомагнитное поле . В 2005 году автоматический аппарат НАСА Gravity Probe B провёл беспрецедентный по точности эксперимент по измерению этих эффектов вблизи Земли, но его полные результаты пока не опубликованы.

Квантовая теория гравитации

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

Стандартные теории гравитации

В связи с тем, что квантовые эффекты гравитации чрезвычайно малы даже в самых экстремальных экспериментальных и наблюдательных условиях, до сих пор не существует их надёжных наблюдений. Теоретические оценки показывают, что в подавляющем большинстве случаев можно ограничиться классическим описанием гравитационного взаимодействия.

Существует современная каноническая классическая теория гравитации - общая теория относительности , и множество уточняющих её гипотез и теорий различной степени разработанности, конкурирующих между собой (см. статью Альтернативные теории гравитации). Все эти теории дают очень похожие предсказания в рамках того приближения, в котором в настоящее время осуществляются экспериментальные тесты. Далее описаны несколько основных, наиболее хорошо разработанных или известных теорий гравитации.

• 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:

Подобное имеет место и в РТГ, где второе тензорное уравнение вводится для учёта связи между неевклидовым пространством и пространством Минковского . Благодаря наличию безразмерного подгоночного параметра в теории Йордана - Бранса - Дикке, появляется возможность выбрать его так, чтобы результаты теории совпадали с результатами гравитационных экспериментов.

Не смотря на то, что гравитация – это слабейшее взаимодействие между объектами во Вселенной, ее значение в физике и астрономии огромно, так как она способна оказывать влияние на физические объекты на любом расстоянии в космосе.

Если вы увлекаетесь астрономией, вы наверняка задумывались над вопросом, что собой представляет такое понятие, как гравитация или закон всемирного тяготения. Гравитация – это универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми объектами во Вселенной.

Открытие закона гравитации приписывают знаменитому английскому физику Исааку Ньютону. Наверное, многим из вас известна история с яблоком, упавшим на голову знаменитому ученому. Тем не менее, если заглянуть вглубь истории, можно увидеть, что о наличии гравитации задумывались еще задолго до его эпохи философы и ученые древности, например, Эпикур. Тем не менее, именно Ньютон впервые описал гравитационное взаимодействие между физическими телами в рамках классической механики. Его теорию развил другой знаменитый ученый – Альберт Эйнштейн, который в своей общей теории относительности более точно описал влияние гравитации в космосе, а также ее роль в пространственно-временном континууме.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит, что сила гравитационного притяжения между двумя точками массы, разделенными расстоянием обратно пропорциональна квадрату расстояния и прямо пропорциональна обеим массам. Сила гравитации является дальнодействующей. То есть, в независимости от того, как будет двигаться тело, обладающее массой, в классической механике его гравитационный потенциал будет зависеть сугубо от положения этого объекта в данный момент времени. Чем больше масса объекта, тем больше его гравитационное поле – тем более мощной гравитационной силой он обладает. Такие космически объекты, как галактики, звезды и планеты обладают наибольшей силой притяжения и соответственно достаточно сильными гравитационными полями.

Гравитационные поля

Гравитационное поле Земли

Гравитационное поле – это расстояние, в пределах которого осуществляется гравитационное взаимодействие между объектами во Вселенной. Чем больше масса объекта, тем сильнее его гравитационное поле – тем ощутимее его воздействие на другие физические тела в пределах определенного пространства. Гравитационное поле объекта потенциально. Суть предыдущего утверждения заключается в том, что если ввести потенциальную энергию притяжения между двумя телами, то она не изменится после перемещения последних по замкнутому контуру. Отсюда выплывает еще один знаменитый закон сохранения суммы потенциальной и кинетической энергии в замкнутом контуре.

В материальном мире гравитационное поле имеет огромное значения. Им обладают все материальные объекты во Вселенной, у которых есть масса. Гравитационное поле способно влиять не только на материю, но и на энергию. Именно за счет влияния гравитационных полей таких крупных космических объектов, как черные дыры, квазары и сверхмассивные звезды, образуются солнечные системы, галактики и другие астрономические скопления, которым свойственна логическая структура.

Последние научные данные показывают, что знаменитый эффект расширения Вселенной так же основан на законах гравитационного взаимодействия. В частности расширению Вселенной способствуют мощные гравитационные поля, как небольших, так и самых крупных ее объектов.

Гравитационное излучение в двойной системе

Гравитационное излучение или гравитационная волна – термин, впервые введенный в физику и космологии известным ученым Альбертом Эйнштейном. Гравитационное излучение в теории гравитации порождается движением материальных объектов с переменным ускорением. Во время ускорения объекта гравитационная волна как бы «отрывается» от него, что приводит к колебаниям гравитационного поля в окружающем пространстве. Это и называют эффектом гравитационной волны.

Хотя гравитационные волны предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна, а также другими теориями гравитации, они еще ни разу не были обнаружены напрямую. Связано это в первую очередь с их чрезвычайной малостью. Однако в астрономии существуют косвенные свидетельства, способные подтвердить данный эффект. Так, эффект гравитационной волны можно наблюдать на примере сближения двойных звезд. Наблюдения подтверждают, что темпы сближения двойных звезд в некоторой степени зависят от потери энергии этих космических объектов, которая предположительно затрачивается на гравитационное излучение. Достоверно подтвердить эту гипотезу ученые смогут в ближайшее время при помощи нового поколения телескопов Advanced LIGO и VIRGO.

В современной физике существует два понятия механики: классическая и квантовая. Квантовая механика была выведена относительно недавно и принципиально отличается от механики классической. В квантовой механике у объектов (квантов) нет определенных положений и скоростей, все здесь базируется на вероятности. То есть, объект может занимать определенное место в пространстве в определенный момент времени. Куда переместиться он дальше, достоверно определить нельзя, а только с высокой долей вероятности.

Интересный эффект гравитации заключается в том, что она способна искривлять пространственно-временной континуум. Теория Эйнштейна гласит, что в пространстве вокруг сгустка энергии или любого материального вещества пространство-время искривляется. Соответственно меняется траектория частиц, которые попадают под воздействие гравитационного поля этого вещества, что позволяет с высокой долей вероятности предсказать траекторию их движения.

Теории гравитации

Сегодня ученым известно свыше десятка различных теорий гравитации. Их подразделяют на классические и альтернативные теории. Наиболее известными представителем первых является классическая теория гравитации Исаака Ньютона, которая была придумана известным британским физиком еще в 1666 году. Суть ее заключается в том, что массивное тело в механике порождает вокруг себя гравитационное поле, которое притягивает к себе менее крупные объекты. В свою очередь последние также обладают гравитационным полем, как и любые другие материальные объекты во Вселенной.

Следующая популярная теория гравитации была придумана всемирно известным германским ученым Альбертом Эйнштейном в начале XX века. Эйнштейну удалось более точно описать гравитацию, как явление, а также объяснить ее действие не только в классической механике, но и в квантовом мире. Его общая теория относительности описывает способность такой силы, как гравитация, влиять на пространственно-временной континуум, а также на траекторию движения элементарных частиц в пространстве.

Среди альтернативных теорий гравитации наибольшего внимания, пожалуй, заслуживает релятивистская теория, которая была придумана нашим соотечественником, знаменитым физиком А.А. Логуновым. В отличие от Эйнштейна, Логунов утверждал, что гравитация – это не геометрическое, а реальное, достаточно сильное физическое силовое поле. Среди альтернативных теорий гравитации известны также скалярная, биметрическая, квазилинейная и другие.

1. Людям, побывавшим в космосе и возвратившимся на Землю, достаточно трудно на первых порах привыкнуть к силе гравитационного воздействия нашей планеты. Иногда на это уходит несколько недель.
2. Доказано, что человеческое тело в состоянии невесомости может терять до 1% массы костного мозга в месяц.
3. Наименьшей силой притяжения в Солнечной системе среди планет обладает Марс, а наибольшей – Юпитер.
4. Известные бактерии сальмонеллы, которые являются причиной кишечных заболеваний, в состоянии невесомости ведут себя активнее и способны причинить человеческому организму намного больший вред.
5. Среди всех известных астрономических объектов во Вселенной наибольшей силой гравитации обладают черные дыры. Черная дыра размером с мячик для гольфа, может обладать той же гравитационной силой, что и вся наша планета.
6. Сила гравитации на Земле одинакова не во всех уголках нашей планеты. К примеру, в области Гудзонова залива в Канаде она ниже, чем в других регионах земного шара.

По мере развития квантовой физики учёные узнают больше о чёрных дырах, тёмной материи, тёмной энергии и других космических явлениях. Новые открытия всё труднее вписываются в понятие гравитации.

Ниже приводятся альтернативные взгляды на гравитацию девяти учёных.

1. Томас Таунсенд Браун и устройство, бросающее вызов гравитации

Физик Томас Таунсенд Браун (1905-1985 гг.) проводил исследования для американского военно-морского флота и министерства обороны. Позднее он работал консультантом в авиационной промышленности.

Он создал устройство, которое было запатентовано под названием «гравитатор». По его словам, его изобретение опровергало гравитацию, и некоторые учёные согласны с этим утверждением. Под влиянием высоковольтного заряда оно двигалось таким образом, что это невозможно объяснить, исходя из современного понимания гравитации.

В заявке на патент Браун написал, что гравиатор действует в состоянии покоя по отношению к Вселенной. Это противоречит специальной теории относительности Альберта Эйнштейна, согласно которой сила должна действовать одинаково по отношению к любой системе отчёта. Гравитатор также опровергал третий закон Ньютона, гласящий, что любому действию есть равное и противоположное противодействие.

В 1930 г. полковник Эдвард Дидс писал: «Часть учёных видели гравитатор, и они были поражены его действием, честно сказав, что движения гравитатора совершенно невозможно объяснить известными законами физики».

Некоторые говорили, что движения гравитатора управляются ионным ветром, то есть ионизированные частицы создают силу. Пол А. ЛаВиолетт был среди тех, которые не согласились с подобным объяснением.

«Измерения силы тяги показали, что сила, поднимающая электрифицированный диск Брауна, почти в 100 миллионов раз больше, чем мог бы создать ионный ветер», - писал ЛаВиолетт в своей книге «Секреты антигравитационного движения».

2. Пол А. ЛаВиолетт: Правительство секретно строит антигравитационный корабль?

ЛаВиолетт получил степень доктора в Университете Портланда, в настоящее время он является президентом Starburst Foundation, научно-исследовательского института в междисциплинарных областях. Он пишет в своей книге: «На протяжении нескольких прошедших десятилетий по засекреченным аэрокосмическим программам в США и других странах занимались созданием летательного аппарата, способного преодолеть гравитацию. Эти экзотические технологии относятся к сравнительно мало известной области исследований под названием электрогравитика».

ЛаВиолетт проследил развитие этой отрасли, начиная с эпохи Теслы и заканчивая Брауном в первой половине XX века. Согласно теориям Брауна, электростатическое и гравитационное поля объединены, объясняет ЛаВиолетт.

Электрогравитационный эффект игнорируется, потому что «подобный феномен не предполагается классической электростатикой или общей теорией относительности, пишет ЛаВиолетт.

3. NASA о тёмной материи

На этом изображении показано распределение тёмной материи, галактик и горячего газа в центре скопления галактик Abell 520, образовавшегося в результате массивного столкновения галактик. Фото: NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee at the University of California, and A. Mahdavi at San Francisco State University

Учёные знают, что Вселенная расширяется с возрастающей скоростью. Они полагают, что причиной этого расширения является тёмная материя, но не знают точно, что она из себя представляет. Предполагается, что она может опровергнуть теорию гравитации Эйнштейна.

В докладе NASA о тёмной материи говорится, что существует вероятность, что «теория Эйнштейна о гравитации неверна».

«Она не только влияет на расширение Вселенной, но и определяет поведение обычной материи в галактиках и скоплениях галактик, - говорится в отчёте. - Возможно, новая теория гравитации могла бы стать решением проблемы чёрной материи. Мы можем наблюдать, как галактики образуют скопления. Но если окажется, что необходима новая теория гравитации, неизвестно, какой вид она примет».

4. Том ванн Фландерн о проблеме скорости гравитации

Том ван Фландерн (1940-2009) получил степень доктора астрономии в Йельском университете в 1969 г. Он не полностью отвергал общую теорию относительности, однако считал, что в ней есть проблемы. Теория Эйнштейна, скорее, была «неполной, нежели ошибочной», написал он в статье «Скорость гравитации. Что говорят эксперименты?», опубликованной в Physics Letter A в 1998 г.

Он затронул вопрос о скорости гравитации. В классической теории тяготения Ньютона скорость гравитации не определена. А в общей теории относительности гравитация имеет скорость света, объясняет Ван Фландерн. Он говорит, что в академических кругах предпочитают обходить это противоречие.

«Точно такая же дилемма возникает во многих вопросах, - пишет он. - Почему фотоны от солнца движутся в направлении, которое не параллельно направлению гравитационного ускорения Земли по отношению к Солнцу? Почему полное затмение Солнца Луной достигает пика до выравнивания гравитационных сил Солнца и Луны? Каким образом двойные пульсары предугадывают своё будущее положение, скорость и ускорение быстрее, чем позволяет световое время между ними? Почему чёрные дыры обладают гравитацией, несмотря на то, что ничто не может преодолеть их, потому что для этого потребовалась бы скорость выше скорости света?»

5. Вильян Х. Кантрелл: теория Эйнштейна не выходит за пределы логического круга

Д-р. Вильям Х. Кантрелл - член технического персонала в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института. В прошлом он занимал должность адъюнкт-профессора на факультете электронной инженерии Техасского университета.

Он изложил нетрадиционный взгляд на теорию относительности в журнале Infinite Energy, публикуемом некоммерческой организацией New Energy Foundation (NEF).

Кантрелл пишет: «Теория относительности оказала огромное влияние на физику XX века, это неоспоримый факт. Теорией Эйнштейна восхищаются во всём мире за блестящие открытия, к которым она привела. Тем не менее, существуют группы учёных-диссидентов, которые открыто отвергают её, и ещё большие группы исследователей, которые испытывают к ней неприязнь, хотя и не в курсе альтернативных подходов».

«Причина этой неприязни состоит в том, что Эйнштейн заимствовал математику Лоренца и Пуанкаре, и это позволило ему модифицировать систему измерения длины и времени, заставив скорость света быть постоянной для всех наблюдателей».

«В такой ситуации рациональные мыслители должны были бы броситься на поиски альтернативных идей. Но зачем пытаться опровергнуть настолько успешную теорию? Ну, во-первых, для того, чтобы понять и описать, как же на самом деле работает природа. А во-вторых, чтобы совершить новый прорыв, после того, как непредумышленный барьер убран».

Кантрелл и подобные ему учёные считают, что теория Эйнштейна не выходит за пределы логического круга. Он пояснил это следующим примером: «Некто может выдвинуть гипотезу, что у Земли есть вторая Луна, сделанная из специального зелёного сыра, который прозрачен для освещения».

«Разумеется, это звучит как глупость, однако это утверждение невозможно опровергнуть опытным путём. С теорией относительности Эйнштейна та же самая проблема».

6. Руджеро Мария Сантилли: теория относительности противоречит квантовой электродинамике

Руджеро Мария Сантилли обучался в университетах Неаполя и Турина, он работал приглашённым преподавателем в Гарварде, затем основал институт теоретических исследований. Сантилли приводит девять несоответствий между общей теорией относительности Эйнштейна и теперешними научными знаниями. Некоторые из них создают проблемы для классического понимания гравитации.

Одно из главных противоречий в том, что объяснение Эйнштейна гравитации не согласуется с квантовой электродинамикой, пишет Сантилли в своём докладе 2006 г. «Девять теорем о несоответствии общей теории относительности».

«Следует помнить о том, что квантовая электродинамика - это одна из самых значительных и экспериментально доказанных научных теорий в истории. Очевидно, что широко распространённая точка зрения, рассматривающая взгляд Эйнштейна на гравитацию как окончательный - это ненаучный подход», - пишет он.

В журнале публикуются статьи, которые ставят под сомнение общую и специальную теорию относительности Эйнштейна. Редакционная политика журнала сформулирована следующим образом: «Журнал уделяет внимание докладам, которые подтверждают, что теории Эйнштейна чрезмерно усложнены, подтверждены только в узких областях физики и ведут к логическим противоречиям».

Том Бэтхэлл

Том Бэтхэлл не учёный, но он исследовал альтернативные теории, будучи старшим редактором журнала American Spectator. В статье «Переосмысление относительности» он пишет: «При выборе приемлемых теорий часто главным критерием служит простота. Птолемеева система мира в усложнённом варианте может точно предсказать положение планет. Однако гелиоцентрическая система мира намного проще, поэтому мы предпочитаем её».

Он цитировал Клиффорда М. Вилла из Вашингтонского университета, ведущего сторонника относительности. «Сложно представить жизнь без специальной теории относительности… Просто представьте все явления в нашем мире, в которых она занимает большое место. Атомная энергия, знаменитое уравнение E=mc2, показывающее, как масса преобразуется в колоссальное количество энергии».

Бэтхэлл говорит о том, что ограничения «играют свою роль». Бэтхэлл пишет: «Если новая теория будет выглядеть „незаменимой“, её сразу же окрестят ошибочной».

7. Джозеф Полчински: сомнения и вопросы

Джозеф Полчински. Фото: Lubos Motl

Джозеф Полчински, физик-теоретик института теоретической физики Кавли Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, обсуждает идею гравитации и в связи с чёрными дырами. Согласно теории Эйнтейна, чёрные дыры должны иметь огромную силу притяжения.

Знаменитый учёный Стивен Хокинг заявил в 70-е годы, что материя может просачиваться из чёрных дыр, что является парадоксом.

Как упоминалось в первой части статьи, ван Фландерн задавался вопросом: «Каким образом чёрные дыры обладают гравитацией, несмотря на то, что ничто не может преодолеть их, потому что для этого потребовалась бы скорость выше скорости света?».

Полчински заявил PBS после того, как Хокинг обсудил некоторые новые теории о чёрных дырах: «Возможно, что некоторые наши взгляды о квантовой механике и гравитации ошибочны, и мы пытаемся выяснить, какие именно».

«Это затруднение, но мы надеемся, что это затруднение позволит нам продвинуться вперёд», - сказал он.

8.Эрик Верлинде: теория «день неправильных волос»

Профессор Эрик Верлинде - физик-теоретик в области теории струн и профессор института теоретической физики при Амстердамском университете.

Он рассматривает гравитацию как следствие законов термодинамики и влияния таких факторов как температура, давление и структура. Восприятие гравитации, например, яблоко, падающее с дерева, связано со свойством природы максимизировать беспорядок.

Статья New York Times 2010 г. описывает его идею как теорию «дня неправильных волос». Волосы становятся кудрявыми при жаре и влажности, для волос существует больше возможностей сделать волосы кудрявыми, чем сделать их прямыми, и природа любит вариации. Схожие принципы действуют и при распределении объектов в космосе, считает Верлинде.

«Мы уже давно знаем, что гравитации не существует, - заявил Верлинде в интервью New York Times. - Пришло время объявить об этом во всеуслышание».

9. Хуан Малдасена: «Теорию Эйнштейна следует заменить чем-то квантомеханическим»

Хуан Малдасена. Фото: Wikimedia Commons

В 1997 г. физик-теоретик Хуан Малдасена, который в настоящее время занимает должность профессора в принстонском Институте передовых исследований, разработал теорию, которая рассматривает Вселенную как совокупность очень тонких вибрирующих струн. Именно эти струны и создают гравитацию. Струны представляют собой своего рода голограмму, проецируемую из более низкоразмерной космической системы, которая проще, более плоская и не имеет гравитации.

В интервью, размещённом на образовательном ресурсе Learner.org, Малдасена сказал: «Мы считаем, что общую теорию относительности Эйнштейна следует заменять чем-то квантомеханическим, когда затрагиваются такие темы, как начало Большого Взрыва, или строение чёрных дыр, где распад материи происходят в очень маленькой области времени-пространства, и вещи, происходящие там, нельзя описывать, используя классические теории. В таких случаях следует использовать квантовую механику. Теория струн находятся в процессе развития, она была создана для описания квантомеханического времени-пространства».

*Фотография man jumping rope от Shutterstock

Версия на английском

Установили бы Вы себе на телефон приложение для чтения статей сайта epochtimes?

Гравитация [От хрустальных сфер до кротовых нор] Петров Александр Николаевич

Теория гравитации Ньютона

Теория гравитации Ньютона

Теперь обратимся непосредственно к истории создания теории гравитации. Оставляя в стороне вопрос о природе тяготения, отметим, что с «практической» точки зрения (для вычисления движений небесных тел) было важно знать, как сила гравитационного взаимодействия между телами зависит от расстояния между ними.

В 1684 году английский астроном и физик Эдмунд Галлей (1656–1742), занимающий должность Королевского астронома, после долгих размышлений пришел к убеждению, что сила притяжения изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния. Это предположение казалось вполне разумным. Действительно, если некое воздействие распространяется от источника симметрично по всем направлениям, то площадь, «охватываемая» этим воздействием, возрастает как квадрат расстояния от центра. Поэтому вполне вероятно, что эффективность этой силы должна уменьшаться пропорционально этой площади, то есть должна быть обратно пропорциональной квадрату расстояния. Однако Галлей и его коллеги не смогли доказать математически, что из такого закона притяжения следует вывод о движении планет по эллиптическим орбитам.

В августе того же 1684 года Галлей отправился в Кембридж за консультациями к профессору математики Исааку Ньютону. Вопрос Галлея звучал так: «По какой траектории должна двигаться планета под действием силы, изменяющейся обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца?» К изумлению Галлея, Ньютон сразу ответил, что такой траекторией является эллипс. Дело в том, что изучать проблемы тяготения Ньютон начал еще в 1665 году, и уже получил решение. Свои расчеты он отослал Галлею через несколько месяцев и с его одобрения опубликовал результаты в книге «Математические начала натуральной философии». Повторимся, среди фундаментальных научных трудов в истории мировой науки эта книга – одна из самых значительных.

Встреча с Галлеем возродила у Ньютона интерес к проблемам тяготения и движения планет. Вернемся к легенде о падающем яблоке и обсудим ее. Если этого не было на самом деле, то такая легенда не могла не возникнуть. По сути, задается вопрос: не заставляет ли падать яблоко та же самая сила, что удерживает Луну на ее орбите вокруг Земли? Легенда олицетворяет прорыв в научном понимании тяготения, связывает «низкое» представление о тяготении, проявления которого мы воспринимаем каждый день, и «высокое», благодаря которому движутся светила, управляется вся Вселенная.

Ньютон установил, что тело, равномерно движущееся по окружности, фактически движется с ускорением (центростремительным), вызванным постоянной силой, направленной к центру окружности: a цс = v 2 /R . Третий закон Кеплера устанавливает связь между периодами обращения планет вокруг Солнца и их расстояниями от него. Применяя это соотношение к движению по окружности, Ньютон легко нашел скорость линейного движения: v ~ 1/R 1/2 .

Тогда сила, соответствующая центростремительному ускорению и удерживающая планеты на орбитах (пусть пока круговых), должна иметь вид: F ~ 1/R 2 , то есть должна быть обратно пропорциональной квадрату расстояния от планеты до Солнца. Тогда Ньютон решил выяснить, не управляет ли одна и та же сила движением Луны на орбите и падением яблока на поверхности Земли.

Интуитивно Ньютон понял, что существенно расстояние от центра Земли, а не от ее поверхности, хотя это предположение он сумел доказать значительно позднее. Зная период обращения Луны вокруг Земли, было нетрудно подсчитать с помощью третьего закона Кеплера, что центростремительное ускорение Луны по направлению к Земле, как показано выше a цс ~ 1/R 2 . Ускорение падения тел вблизи поверхности Земли было хорошо известно из опытов. А поскольку Луна находится в 60 раз дальше от центра Земли, чем яблоко на ее поверхности, то ускорение для яблока должно быть в 60 ? 60 = 3600 раз больше. Число 60 очень удачно для сравнения в данном случае. Используя законы ускоренного движения, легко подсчитать, что за одну секунду яблоко должно пролетать к центру Земли расстояние, которое Луна проходит только за одну минуту. Проделав расчеты, Ньютон обнаружил, что они согласуются с наблюдениями с точностью ~ 1 % и пришел к твердому убеждению, что движением планет, Луны и всех тел, падающих на землю, действительно, управляет одна и та же сила – тяготение.

Успехи Ньютона как физика были бы невозможны, если бы он не разработал необходимый математический аппарат, о чем мы уже говорили. Это фактически была совершенно новая область математики – математический анализ. С его помощью Ньютон показал, что эллиптическая форма орбит обусловлена движением под действием силы, направленной к одному из фокусов эллипса, величина которой обратно пропорциональна квадрату расстояния от него. Однако только в 1685 году с помощью созданного им аппарата математического анализа Ньютон сумел доказать, что гравитационное притяжение Земли можно рассматривать так, как если бы вся ее масса была сосредоточена в центре. Этот факт был принципиальным, он позволил Ньютону обосновать использованный ранее способ сравнения ускорений Луны и яблока.

С помощью своих законов механики Ньютон убедительно доказал, что нет деления на тела, которые притягивают, и тела, которые притягиваются. Все тяготеющие тела взаимопритягиваются, то есть законы гравитации имеют универсальный смысл.

Повторим коротко его вывод. У поверхности Земли все тела падают с одинаковым ускорением g независимо от их массы (веса), а сила, действующая на тело на поверхности Земли, пропорциональна его массе (весу), поэтому F = mg . Далее, согласно третьему закону механики, если на тело массой m со стороны другого тела массой M действует некоторая сила, то тело массой m действует на тело массой M точно с такой же, но противоположно направленной силой. Скажем, не только Земля притягивает Луну, но и Луна притягивает Землю. Следовательно, сила взаимного притяжения двух тел должна быть пропорциональна каждой из масс. То, что эта сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами было уже установлено. Поэтому сила взаимного притяжения двух масс m и M , удаленных на расстояние r друг от друга, определяется выражением:

которое и является формулировкой закона всемирного тяготения; здесь G – это коэффициент пропорциональности, называемый постоянной всемирного тяготения. Величина G показывает, насколько сильно гравитационное взаимодействие. Это одна из фундаментальных мировых констант, чисел, значения которых определяют поведение и Вселенной в целом, и отдельных ее частей.

Понятие «масса», входящее во второй закон Ньютона, имеет смысл инертной массы – меры сопротивления тела любому изменению состояния его движения. Из второго закона Ньютона следует, что если к двум телам с разными массами приложить одинаковую силу, то менее массивное тело приобретает большее ускорение, чем тело с большей массой. Но понятие «массы» в законе всемирного тяготения имеет другой смысл – это «тяготеющая масса», или мера того, что условно можно назвать «количеством тяготения», присущим данному телу.

Нет логических оснований считать эти два вида массы тождественными. В конце концов, тяготеющую массу можно рассматривать как гравитационный эквивалент электрического заряда; два тела с одинаковой инертной массой могут иметь совершенно различные электрические заряды и, следовательно, приобретать разные ускорения под действием одного и того же электрического поля. В противоположность этому, в гравитационном поле Земли тела как с разными, так и с равными инертными массами всегда падают с одним и тем же ускорением. А это может быть только в том случае, если отношение тяготеющей массы к инертной для всех тел одинаково.

Ньютон провел серию экспериментов, чтобы выяснить, не оказывается ли это отношение различным для разных тел. Такого различия он не обнаружил, не обнаружено оно и до сих пор. Поскольку эти два вида массы всегда находятся в одной и той же пропорции друг к другу, единицу измерения для них подобрали так, чтобы их отношение оказалось равным единице. Это выражается в том, что формула для силы притяжения на поверхности Земли имеет вид второго закона: F = mg .

Факт равенства инертной и тяготеющей масс известен как принцип эквивалентности . Ниже мы увидим, что этот принцип служит одним из ключевых положений общей теории относительности Эйнштейна.

Значение закона всемирного тяготения нельзя переоценить. Ньютон показал, что тело совершает движение по какой-либо кривой конического сечения (окружности, эллипсу, параболе или гиперболе) в том случае, если на него действует сила, обратно пропорциональная квадрату расстояния и направленная к фокусу этой кривой. И наоборот, движение тела под действием такой силы подчиняется законам Кеплера. Ньютон показал также, что действием такой универсальной силы можно объяснить движение Луны и планет, ускорение падающих тел, поведение спутников Юпитера и океанские приливы.

Были объяснены и предсказаны и другие явления. Ньютон предсказал, что в результате вращения вокруг своей оси Земля должна быть слегка выпуклой вблизи экватора и сплюснутой у полюсов. Он объяснил, как это отклонение формы Земли от идеальной сферы приводит к прецессии – явлению, открытому Гиппархом почти 2000 лет назад. В результате прецессии – медленного поворота земной оси – полюс небесной сферы описывает на небе окружность. Если бы Земля была идеальным шаром, то этого бы не наблюдалось, но вследствие экваториальной выпуклости Земли и наклона ее оси гравитационное воздействие на нее со стороны Солнца и Луны заставляет земную ось поворачиваться, описывая коническую поверхность. Точно так же вращается ось волчка, если при его запуске отклонить ось от вертикального направления, здесь внешней силой, вызывающей прецессию, является сила притяжения Земли.

Галлей, анализируя данные о наблюдениях комет и основываясь на законах Ньютона, сделал вывод, что часть из этих наблюдений относится к одной и той же комете и предсказал ее следующее появление. Когда предсказание оправдалось, комету назвали его именем. Комета Галлея, единственная из короткопериодических комет (орбитальный период около 76 лет), доступная для наблюдения невооруженным глазом. Последний раз она появилась вблизи Солнца и Земли, согласно все тем же расчетам по формулам Ньютона, в марте 1986 года. Тогда комету Галлея наблюдали не только многочисленные любители астрономии и профессиональные ученые, но и пять международных космических аппаратов.

С открытием закона всемирного тяготения стало возможным изучение влияния планет друг на друга, вызванного их взаимным притяжением. Так, исследуя возмущения в движении Урана, удалось точно рассчитать орбиту неизвестной планеты за Ураном, которая эти возмущения вызывала. Позднее ее обнаружили точно в расчетном месте и назвали Нептуном.

В 1803 году английский астроном и оптик Вильям Гершель (1738–1822) опубликовал данные своих наблюдений, из которых следовало, что многие звезды, видимые как точки, на самом деле состоят из пары звезд, медленно обращающихся одна вокруг другой под воздействием взаимного притяжения; такие системы получили название двойных звезд. Последующие наблюдения показали, что движение двойных звезд подчиняется законам Кеплера и закону всемирного тяготения Ньютона. В 1842 году известный немецкий астроном Фридрих Бессель (1784–1846) на основе закона Ньютона предсказал существование невидимого спутника у звезды Сириус. Спутник был открыт через 10 лет!

Уже к концу первой половины XIX века было установлено, что закон всемирного тяготения Ньютона в наблюдаемой Вселенной выполняется повсеместно.

2. Законы Ньютона и динамика материальной точки Приняв за основу возможность локализации физических объектов в пространстве и во времени, классическая механика начинает изучение законов движения с наиболее простого случая: с изучения законов движения материальной