Гравітацыя

Гравіта́цыя, сусьве́тнае прыцягне́ньне, прыцягне́ньне (ад лац. gravitas — «цяжкасьць») — унівэрсальнае фундамэнтальнае ўзаемадзеяньне паміж усімі матэрыяльнымі целамі. У набліжэньні малых хуткасьцяў і слабага гравітацыйнага ўзаемадзеяньне апісваецца тэорыяй прыцягненьня Ньютана. У сучаснай фізыцы ў агульным выпадку зьява гравітацыі найбольш дакладна апісваецца агульнай тэорыяй рэлятыўнасьці Айнштайна, у якім сама зьява зьяўляецца сьледзтвам скрыўленьня прасторы-часу аб руху інэрцыйных аб’ектаў. Аднак просты закон сусьветнага прыцягненьня Ньютана забясьпечвае дакладнае набліжэньне для большасьці фізычных сытуацыяў, уключаючы такія крытычныя разьлікі, як то будаваньне траекторыі руху касьмічнага караблю.

Гравітацыя зьяўляецца самым слабым з чатырох тыпаў фундамэнтальных узаемадзеяньняў разам з электрамагнэтызмам і ядзернымі моцнымі й слабымі ўзаемадзеяньнямі. У квантавай граніцы пераходзіць у квантавую тэорыі гравітацыі, якая яшчэ цалкам не распрацаваная. Дзякуючы гравітацыі Зямля й іншыя плянэты захоўваюцца на сваіх арбітах вакол Сонца, Месяц зварочваецца па арбіце вакол Зямлі, існуюць прылівы й многае іншае.

Гравітацыйнае ўзаемадзеяньне

У рамках клясычнай мэханікі гравітацыйнае ўзаемадзеяньне апісваецца клясычнай тэорыяй прыцягненьня Ньютана, згодна зь якой сіла гравітацыйнага прыцягненьня паміж двума матэрыяльнымі кропкамі масы $m$ і $M$ , падзеленымі адлегласьцю $R$ , прапарцыйная абодвум масам і зваротна прапарцыйная квадрату адлегласьці, то бок:

F=G{\frac {mM}{R^{2}}}

Тут $G$ — гравітацыйная канстанта, роўная прыкладна 6,6725×10⁻¹¹ м³/(кг·с²)

Закон сусьветнага прыцягненьня — адно з прыкладаньняў закона зваротных квадратаў, які сустракаецца таксама й пры вывучэньні выпраменьваньняў (напрыклад, ціск сьвятла), і які зьяўляецца прамым сьледзтвам квадратычнага павелічэньня плошчы сфэры пры павелічэньні радыюсу, што прыводзіць да квадратычнаму ж памяншэньню ўкладу любой адзінкавай плошчы ў плошчу ўсёй сфэры.

Гравітацыйнае поле, гэтак жа як і поле сілы цяжару, зьяўляецца патэнцыйным. Гэта значыць, што можна ўвесьці патэнцыйную энэргію гравітацыйнага прыцягненьня пары целаў, і гэтая энэргія ня зьменіцца пасьля перамяшчэньня целаў па замкнёным контуры. Патэнцыяльнасьць гравітацыйнага поля цягне за сабой закон захаваньня сумы кінетычнай і патэнцыяльнай энэргіі і пры вывучэньні руху целаў у гравітацыйным полі часьцяком істотна спрашчае рашэньне. У рамках клясычнай мэханікі Ньютана гравітацыйнае ўзаемадзеяньне зьяўляецца далёкадзейным. Гэта азначае, што як бы масіўнае цела ні рухалася, у любой кропцы прасторы гравітацыйны патэнцыял залежыць толькі ад становішча цела ў дадзены момант часу.

Вялікія касьмічныя аб’екты (плянэты, зоркі й галяктыкі) маюць вялікую масу і, такім чынам, ствараюць значныя гравітацыйныя палі. У параўнаньні з астатнімі фундамэнтальнымі ўзаемадзеяньнямі гравітацыя мае найменшую інтэнсіўнасьць. Аднак, паколькі яно дзейнічае на любых адлегласьцях, і ўсе масы станоўчыя, гэта, тым ня менш, вельмі важная сіла ў Сусьвеце. У прыватнасьці, электрамагнітнае ўзаемадзеяньне паміж целамі ў касьмічных маштабах малое, паколькі поўны электрычны зарад гэтых целаў роўны нулю, а рэчыва ў цэлым электрычна нэўтральна. Таксама гравітацыя, у адрозьненьне ад іншых узаемадзеяньняў, унівэрсальная ў дзеяньні на ўсю матэрыю й энэргію. Да нашага часу ня выяўлена ніводнага аб’екту, у якога наогул адсутнічала бы гравітацыйнае ўзаемадзеяньне.

З-за глябальнага характару гравітацыя адказная й за такія буйнамаштабныя эфэкты, як то структура галяктык, чорныя дзіркі й пашырэньне Сусьвету, і за элемэнтарныя астранамічныя зьявы, як то існаваньне арбіты ў плянэтаў, і за простае прыцягненьне да паверхні Зямлі й падзеньне целаў.

Гравітацыя была першым узаемадзеяньнем, апісаным матэматычнай тэорыяй. Арыстотэль лічыў, што аб’екты з рознай масай падаюць з рознай хуткасьцю. Толькі шмат пазьней Галілео Галілей экспэрымэнтальна вызначыў, што гэта не так — калі супраціў паветра ліквідаваць, то ўсе целы паскараюцца аднолькава. Закон усеагульнага прыцягненьня Ісака Ньютана, сфармуляваны ў 1687 годзе, добра апісваў агульныя паводзіны гравітацыі. У 1915 годзе Альбэрт Айнштайн стварыў агульную тэорыю рэлятыўнасьці, якая больш дакладна апісвае гравітацыю ў тэрмінах геамэтрыі прасторы-часу.

Тэорыі гравітацыі

У сувязі з тым, што квантавыя эфэкты гравітацыі надзвычай малыя нават у самых экстрэмальных экспэрымэнтальных і наглядальных умовах, да гэтага часу не існуе іхных надзейных назіраньняў. Тэарэтычныя ацэнкі паказваюць, што ў пераважнай большасьці выпадкаў можна абмежавацца клясычным апісаньнем гравітацыйнага ўзаемадзеяньня.

Існуе сучасная кананічная клясычная тэорыя гравітацыі — агульная тэорыя рэлятыўнасьці, і мноства ўдакладняючых яе гіпотэзаў і тэорыяў рознай ступені распрацаванасьці, канкуруючых паміж сабой. Усе гэтыя тэорыі даюць вельмі падобныя прадказаньні ў рамках таго набліжэньня, у якім у цяперашні час ажыцьцяўляюцца экспэрымэнтальныя тэсты.

Агульная тэорыя рэлятыўнасьці

У стандартным падыходзе агульнай тэорыі рэлятыўнасьці гравітацыя разглядаецца першапачаткова не як сілавое ўзаемадзеяньне, а як праява скрыўленьня прасторы-часу. Такім чынам, гравітацыя інтэрпрэтуецца як геамэтрычны эфэкт, прычым прастора-час разглядаецца ў рамках неэўклідавай псэўдарыманавай геамэтрыі. Гравітацыйнае поле, часам званае таксама полем прыцягненьня, атаясамліваецца з тэнзарным мэтрычным полем — мэтрыкай чатырохвымернай прасторы-часу, а напружанасьць гравітацыйнага поля — з афінавай складнасьці прасторы-часу, вызначаецца мэтрыкай.

Стандартнай задачай агульнай тэорыі рэлятыўнасьці зьяўляецца вызначэньне кампанэнтаў мэтрычнага тэнзору, у сукупнасьці задавалых геамэтрычныя ўласьцівасьці прасторы-часу, па вядомым разьмеркаваньні крыніц энэргіі-імпульсу ў разгляданай сыстэме чатырохвымерных каардынатаў. У сваю чаргу веданьне мэтрыкі дазваляе разьлічваць рух пробных часьцінак, што эквівалентна ведам уласьцівасьцяў поля прыцягненьня ў гэтай сыстэме. У сувязі з тэнзорным характарам раўнаньняў, а таксама са стандартным фундамэнтальным абгрунтаваньнем ейнай фармулёўкі, лічыцца, што гравітацыя таксама носіць тэнзорны характар. Адным з наступстваў зьяўляецца тое, што гравітацыйнае выпраменьваньне павінна быць не ніжэйшых за квадрупольны парадак.

Вонкавыя спасылкі

Гравітацыя — сховішча мультымэдыйных матэрыялаў

Цяжэньне. Фізычная энцыкляпэдыя
Закон сусьветнага прыцягненьня. Па-простаму аб складаным.
Праблемы гравітацыі. BBC
Зямля й гравітацыя