Теорія гравітації. Перспективи розвитку теорії гравітації

Нова теорія гравітації, сформульована у 2010 році співробітником Амстердамського університету Еріком Верлінде, досі палко заперечується у наукових колах. Мабуть, жодна ідея не викликала б такої бурхливої ​​полеміки, як відсутність темної матерії у Всесвіті. Здається, зараз теорія Верлінде має можливість отримати нові докази. Це стало можливим завдяки поточним спостереженням астрономів.

Переконливі докази

Поточне дослідження астрономів було розцінено як переконливий доказ ідеї емерджентної гравітації, коли сила тяжкості може виникати спонтанно, а чи не бути стихійно впорядкованою природною одиницею. Поки що зібрані докази перебувають на стадії перевірки, а результати дослідження не опубліковані в наукових журналах. Однак якщо ця теорія отримає офіційне підтвердження, світ вкотре стане на поріг наукової революції. Тільки тепер будуть спростовані припущення Ньютона та Ейнштейна. З іншого боку, це може розставити всі крапки над «і», адже класична та квантова механіка не можуть бути використані одночасно.

Чи справді сила тяжіння не є реальною?

Згідно з гіпотезою Еріка Верлінде, сила тяжіння не є реальною. Вона є ефектом, пов'язаним з ентропією, або незворотним розсіюванням енергії у Всесвіті. Отримані докази не спростовують теорію постійних космологічних, які стверджують, що галактики оточені темними матеріями. Ці фундаментальні речовини не вступають у взаємодію з видимим світлом і не можуть бути виявлені за допомогою наземних приладів.

У чому суть суперечки?

Прихильники теорії гравітації переконані, що темна матерія є теоретичною часткою, заданою кількома параметрами. Проте теорія емерджентної гравітації походить від розширених фізичних формул. Таким чином, обидві теорії можуть не суперечити одна одній, оскільки в новій версії за основу розрахунків було прийнято більше змінних.

Гравітаційне лінзування

Астрономічні спостереження стали можливими завдяки гравітаційному лінзуванню. Це явище прийнято пов'язувати з відхиленням світлових променів у полі тяжкості. За допомогою лінз можна пояснити утворення кратних зображень різних астрономічних об'єктів. Заломлення світла, спрямоване на важкі об'єкти, раніше використовувалося і розширених випробуваннях стандартної космологічної моделі.

Незважаючи на те, що досі немає прямих посилань на лінзування в космологічних дослідах, вчені можуть проводити оцінку очікуваного сигналу, що лінзує стосовно червоного зміщення галактик. Ймовірно, їхнє групування відбувається під дією сил тяжіння.

Нова теорія може змінити уявлення про час, простір та гравітацію.

Таким чином, емерджентна сила тяжкості прагне покінчити із загальною теорією відносності та темною матерією. Так, під час тестування можна зрозуміти, як окремі об'єкти можуть взаємодіяти друг з одним. Якщо загальна теорія відносності передбачає модель реального Всесвіту, то нова ідея застосовна до ізольованих, сферичних і статичних систем.

За твердженням Карла Сагана, «екстаординарні заяви вимагають екстраординарних доказів». А поки запасемося терпінням і чекатимемо підтверджень теорії гравітації, що зароджується.

Робочі матеріали

Огляд теми:

Альтернативні теорії гравітації. Класична теорія гравітації, виражена законом всесвітнього тяжіння Ньютона, виявилася недостатньо точною у разі сильних гравітаційних полів. Це, втім, анітрохи не заважає використовувати її у випадках, коли її точності вистачає.

Створена в 1915 р. Альбертом Ейнштейном загальна теорія відносності (ОТО) є сьогодні загальновизнаною теорією тяжіння. Проте вона має низку проблем, які змушують шукати альтернативні теорії гравітації.

Одна з основних проблем полягає в тому, що в класичному вигляді ОТО несумісна з квантовими теоріями поля, які описують решту трьох фундаментальних фізичних взаємодій. (Щоправда, останнім часом почали надходити повідомлення, що на цьому напрямі досягнуто певних успіхів.)

Інша проблема полягає в тому, що, описуючи гравітацію як викривлення простору-часу, ВТО відмовляється від якості однорідності простору-часу, адже саме на цій властивості ґрунтуються закони збереження енергії та імпульсу.

Третя проблема ОТО також пов'язана з енергією, цього разу з енергією самого гравітаційного поля. Щоб розібратися, у чому річ, розглянемо спочатку електромагнітне поле. Будучи фізичним полем, воно саме по собі несе енергію та імпульс. Причому енергія поля, запасена кожному елементарному обсязі простору, пропорційна квадрату напруженості поля. Вибором системи відліку можна змінити величини електричного та магнітного полів у вибраній точці простору. Наприклад, вибравши систему відліку, що рухається разом із зарядом, можна звести до нуля його магнітне поле. Однак жодним вибором системи відліку не можна повністю знищити електромагнітне поле в точці, де з точки зору іншої системи відліку воно не дорівнює нулю. Повернемося до гравітаційного поля. В основі ОТО лежить уявний експеримент з ліфтом, що падає в гравітаційному полі. Стверджується, що спостерігач, що знаходиться в ліфті, не зможе відрізнити падіння в гравітаційному полі від перебування поза будь-якими полями. Тобто в системі відліку спостерігача, що вільно падає, гравітаційне поле повністю анулюється. Звідси випливає, що гравітаційне поле ОТО перестав бути звичайним фізичним полем, мають певну щільність енергії у просторі. Вибір системи відліку може змінювати просторовий розподіл енергії. У цьому сенсі говорять про нелокальність енергії гравітаційного поля у ВТО. Багато фахівців у галузі астрофізики вважають це суттєвим недоліком ВТО. Водночас, багато фахівців з ОТО взагалі відкидають цю претензію.

Зрештою, можливо, найбільшою претензією до ВТО вважають те, що вона допускає виникнення чорних дірок, у центрі яких знаходиться фізична сингулярність. Більшість фізиків переконані, що поява нескінченностей у фізичній теорії означає вихід за межі її застосування.

Те, що перелічені проблеми, вимагають вирішення, очевидно всім. Різні групи фахівців намагаються йти у цій справі різними шляхами. Проте їх можна умовно розділити на дві групи - тих, хто продовжує пошуки в руслі геометричного підходу, покладеного в основу ОТО, і тих, хто відмовляється пов'язувати гравітаційне поле з геометрією простору-часу.

Оскільки перше напрям ширше представлено у сучасному науковому співтоваристві, теорії, створювані другого шляху збірно називають альтернативними теоріями гравітації. До найбільш відомих альтернативних теорій гравітації належить релятивістська теорія гравітації (РТГ) А. А. Логунова. У Санкт-Петербурзькому університеті Ю. В. Баришев розробляє польову теорію гравітації (ПТГ).

На жаль, у сфері теорії гравітації останніми роками складається досить хвора ситуація. Дослідники, які продовжують працювати в руслі ОТО, практично ігнорують роботи у сфері альтернативних теорій гравітації, мотивуючи це тим, що поки всі факти, що спостерігаються, вдається пояснити на базі ОТО. Тим часом їх роботи все більше йдуть у сферу чистої математики і стають дедалі менш доступними для експериментальної перевірки.

Ймовірно, це пов'язано з тим, що донедавна спостереження не дозволяли зробити вибір між різними версіями теорій гравітації. Класичні релятивістські ефекти, такі як викривлення світлових променів у полі тяжіння Сонця чи усунення перигелія Меркурія всі ці теорії описують однаково й у першому наближенні як і, як ОТО. Відмінності наступають у сильніших полях. А спостереження їх проявів стає можливим лише у наші дні.

Один із найбільш перспективних об'єктів для перевірки нового покоління теорій гравітації – це знаменитий пульсар PSR1913+30. У тісній парі, що складається з двох нейтронних зірок, повинні бути дуже суттєві втрати енергії на випромінювання гравітаційних хвиль. Причому різні теорії гравітації пророкують різний темп втрати енергії. Протягом найближчих кількох років деякі теорії мають зійти з дистанції за результатами тесту на цьому об'єкті.

Поступово у ЗТО виникають проблеми і на космологічному фронті. Дані про вік кульових зоряних скупчень важко укладаються в рамки термінів, відведених теорією Великого вибуху, заснованої на ВТО. Теорія Великого вибуху передбачає, що великомасштабний розподіл речовини у Всесвіті має бути однорідним. Останніми роками масштаб, з якого має спостерігатися однорідність, постійно збільшувався під тиском спостережних даних.

У альтернативників теж не все йде гладко. Але їхні проблеми лежать у дещо іншій площині. Справа в тому, що крім цілком серйозних дослідників, які розробляють альтернативні теорії гравітації, у світі існує набагато більше дилетантів, які, не зумівши розібратися в вельми нетривіальному математичному апараті ОТО, починають створювати свої власні теорії, називаючи їх альтернативними. Нерідко ці діячі мають наукові ступені (отримані переважно у галузях далеких від теорії гравітації) і завдяки цьому входять у наукові кола. Вони посилають статті в наукові журнали, виступають на конференціях, видають книги про свої доморощені теорії, недоліки яких (якщо тут взагалі можна говорити про недоліки) незрівнянні з наведеними вище претензіями до ОТО.

На жаль, для багатьох прихильників ОТО такі теорії виглядають однією особою з цілком серйозними дослідженнями у сфері альтернативних теорій гравітації. Фактично склалася ситуація, в якій діє догмат непогрішності ОТО (принаймні покладеного в її основу геометричного підходу). Виходить, що у сфері теорії гравітації наука поділена на два клани, які практично не взаємодіють один з одним. Така ситуація, звісно, ​​виглядає сумно. Залишається тільки сподіватися, що вибухове накопичення нових астрономічних даних у недалекому майбутньому змусить ці два клани увійти в дотик.

Матеріали до програми:

Зі статей А. А. Логунова з релятивістської теорії гравітації.

Релятивістська теорія гравітації дає змогу подолати труднощі, з якими зіткнулася загальна теорія відносності. Нова теорія ґрунтується на фундаментальних законах збереження матерії та понятті гравітаційного поля як фізичного поля типу Фарадея-Максвелла. Вона пояснює всі відомі наглядові та експериментальні дані про гравітацію і дає нові уявлення про розвиток Всесвіту, гравітаційний колапс, простір і час.

Всім добре відомо, що геометрія навколишнього простору Евклідова. Вона була відкрита шляхом спостережень, а потім понад 2 тис. років тому сформульована Евклідом у вигляді постулатів та аксіом. Постулати та аксіоми, що лежать в основі евклідової геометрії, є очевидними твердженнями, що приймаються без доказу. Вони такі природні, що склалося майже абсолютне переконання в єдиності цієї геометрії. Геометрами було витрачено чимало сил, щоб зменшити кількість постулатів та аксіом, звести їх до мінімуму. Це вдавалося, коли з них виводилися з інших. Дуже багато сил витратили математики, щоб звільнитися від п'ятого постулату (через точку поза цією прямою можна провести лише одну пряму, їй паралельну), але цього зробити не вдалося, хоча геометри займалися цією проблемою протягом понад 2 тис. років.

Початок бурхливого розвитку механіки як науки про рух тіл відноситься до середини XVII ст. Механіка того періоду була дослідною наукою. В результаті узагальнення величезної кількості досвідчених даних І. Ньютоном були сформульовані три його знамениті закони динаміки і закон тяжіння. Це дозволило вирішувати широке на той час коло завдань про рух тел. Геометрія Евкліда знайшла втілення у законах Ньютона. Фактично, з цього часу вивчення механічних явищ стало як перевіркою законів Ньютона, а й евклідової геометрії. Однак у той період це ще не було усвідомлено, оскільки в геометрії Евкліда, в її єдиності як логічної схеми, сумнівів не було. І лише у ХІХ ст. М. І. Лобачевський, вивчаючи проблему п'ятого постулату в геометрії Евкліда, дійшов висновку про необхідність його заміни новим постулатом: через точку поза прямою на площині проходять принаймні дві прямі, що не перетинають цю.

Мета його полягала в тому, щоб побудувати геометрію на основі нової системи постулатів та аксіом. Реалізація цієї програми призвела Лобачевського до відкриття неевклідової геометрії. Лобачевський зробив найбільше відкриття, але сучасники, навіть великі вчені, його не тільки не зрозуміли, а й зайняли ворожу позицію. Пізніше дослідження Лобачевського стало поштовхом до побудови інших геометрій. Стало ясно, що геометрій як логічних систем може бути побудовано безліч, і тільки досвід здатний вирішити, яка з них реалізується в навколишньому світі. Сучасною математичною мовою структура геометрії повністю задається виразом квадрата відстані між сусідніми нескінченно близькими точками. У декартових координатах евклідового простору квадрат такої відстані має вигляд: dll = dxx + dyy + dzz.

Тут dx, dy, dz – диференціали координат. По суті, це не що інше, як теорема Піфагора для випадку тривимірного простору, якби ми виходили з постулатів та аксіом Евкліда. Цю рівність можна покласти в основу визначення евклідової геометрії. Якби ми використовували в ній не декартові координати, а будь-які інші - криволінійні (наприклад, сферичні, циліндричні і т. д.), то квадрат відстані між сусідніми точками в цих координатах (позначимо їх xi) набув би вигляду: dll = ?ik(x)dxidxi. Така форма запису математичною мовою означає підсумовування за однаковими індексами i та k (i, k = 1, 2. 3). Розмір?ik визначає структуру геометрії і називається метричним тензором евклідового простору. Евклідова геометрія має найважливішу властивість: у ній завжди можна запровадити у всьому просторі глобальні декартові координати, у яких відмінні від нуля лише діагональні компоненти метричного тензора, рівні все одиниці. Це означає, що евклідово простір «плоский», або, іншими словами, кривизна в кожній його точці дорівнює нулю.

Б. Ріман, розвиваючи ідею М. І. Лобачевського та К. Ф. Гаусса, ввів особливий клас геометрій, що отримав назву ріманових, які тільки в нескінченно малій області збігаються з евклідовими. Він узагальнив також фундаментальне поняття кривизни простору. У ріманової геометрії квадрат відстані між двома сусідніми точками записується також у вигляді dll = ?ik(x)dxidxk, з тією лише принциповою різницею, що в ній не існує у всьому просторі єдиних декартових координат, у яких метричний тензор був би всюди постійний і мав б діагональну форму. Це означає, що кривизна в римановому просторі завжди відмінна від нуля, а її значення залежить від місця.

Яка ж геометрія має місце у природі? Відповідь це питання можна отримати лише з досвіду, т. е. шляхом вивчення явищ природи. Поки у фізиці ми мали справу з відносно малими швидкостями, досвід підтверджував, що геометрія нашого простору евклідова, а такі поняття, як «довжина» та «час», є абсолютними і не залежать від системи відліку. Вивчення електромагнітних явищ, а також руху частинок зі швидкостями, близькими до швидкості світла, призвело до дивовижного відкриття: простір та час утворюють єдиний континуум; роль відстані між двома близькими точками (подіями) грає величина, яка називається інтервалом. Квадрат інтервалу в декартових координатах визначається рівністю: dss = ccdTT – dxx – dyy – dzz. Тут c – швидкість світла; T – час. Геометрія, яка визначається таким інтервалом, називається псевдоевклідовою, а чотиривимірний простір з такою геометрією - простором Мінковського (Minkowski). Квадрат інтервалу dss може бути величиною позитивною, негативною або рівною нулю. Цей поділ має абсолютний характер. Час і координати входять до інтервалу майже рівноправно (у квадраті) з тією лише важливою різницею, що вони різні знаки. У цьому вся знаходить відбиток глибоке відмінність таких фізичних понять, як «довжина» і «час». Розмір інтервалу залежить від системи відліку, тоді як час і довжина не є абсолютними поняттями, вони відносні і залежить від вибору системи отсчета.

Інтервал dss має однаковий вигляд у нескінченному класі систем відліку, що рухаються одна щодо іншої з постійною швидкістю, меншою за швидкість світла. Такі системи відліку є інерційними, бо виконується закон інерції. Перетворення від однієї інерційної системи на іншу, що зберігають вигляд інтервалу, називаються перетвореннями Лоренца. Теорію, сформульовану у класі інерційних систем відліку з урахуванням інтервалу dss, А. Ейнштейн називав спеціальної теорією відносності. Таке обмежене розуміння спеціальної теорії відносності широко поширилося і потрапило практично у всі підручники. Проте уявлення, що у основі спеціальної теорії відносності, точно справедливі й у прискорених систем отсчета.

Оскільки простір Мінковського однорідний і ізотропний, то мовою математики воно має максимальну десятипараметричну групу руху (чотирипараметричну групу трансляцій і шестипараметричну групу обертань), а отже, в ньому мають місце відповідно закони збереження енергії - імпульсу та моменту кількості руху. Це означає, що можна знайти нові змінні x*, які є такими функціями старих змінних x, що з переході до них інтервал повністю зберігає свій вид: dss = ?ik(x*)dx*idx*k. Тут у нових змінних x* усі компоненти метричного тензора?ik(x*) ті самі, що й раніше. Таким чином, інваріантність форми інтервалу у просторі Мінковського має місце не лише для класу інерційних систем відліку, але й для довільно обраного класу прискорених систем відліку. Ця властивість простору Мінковського формулюється як узагальнений принцип відносності: «Яку б фізичну систему відліку ми не обрали (інерційну чи неінерційну), завжди можна вказати нескінченну сукупність інших систем – таких, у яких усі фізичні явища (у тому числі і гравітаційні) протікають однаково з вихідною системою відліку, так що ми не маємо і не можемо мати жодних експериментальних можливостей розрізнити, в якій саме системі відліку з цієї нескінченної сукупності ми знаходимося» Це означає, що, маючи справу з прискореними системами відліку, ми не виходимо за межі спеціальної теорії відносності . Цей принцип і буде далі покладено в основу релятивістської теорії гравітації, про яку йтиметься пізніше. А поки що ми звернемося до теорії гравітації, створеної Ейнштейном. Обговоримо її основні принципи та труднощі.

Прискорення, яке відчуває вільна матеріальна точка, у неінерційній системі відліку виражається через перші похідні метричного тензора?ik за координатами та часом. У цьому знаходить відображення універсальність сил інерції, які викликають прискорення, що не залежить від маси тіла. У точності таку ж властивість мають і сили гравітації, оскільки, як показує досвід, гравітаційна маса тіла дорівнює його інертній масі. Розглядаючи рівність інертної та гравітаційної мас як фундаментальний факт, Ейнштейн дійшов висновку, що гравітаційне поле, подібно до сил інерції, має описуватися метричним тензором. Це означає, що гравітаційне поле характеризується не якимось одним скалярним потенціалом, а десятьма функціями, що є компонентами метричного тензора. Це був найважливіший крок у розумінні сил гравітації, який дозволив Ейнштейну після багаторічних спроб побудувати теорію гравітації, висунути ідею про те, що простір-час не псевдоевклідове, а псевдоріманове (надалі ми говоритимемо просто риманово).

Гравітаційне поле Ейнштейн ототожнив із метричним тензором ріманова простору. Ця ідея дозволила Д. Гільберту та А. Ейнштейну отримати рівняння для гравітаційного поля, тобто для метричного тензора ріманова простору. Таким шляхом була побудована загальна теорія відносності (ОТО).

Пророцтво Ейнштейна про відхилення променя світла у полі Сонця, та був експериментальне підтвердження цього ефекту, і навіть пояснення усунення перигелія Меркурія стали справжнім тріумфом загальної теорії відносності Ейнштейна. Однак, незважаючи на успіхи, ЗТО майже з самого свого народження зіткнулася з труднощами.

Е. Шредінгер в 1918 р. показав, що відповідним вибором системи координат всі компоненти, що характеризують енергію-імпульс гравітаційного поля, поза сферично-симетричним тілом можна звернути в нуль Спочатку цей результат здався Ейнштейну дивним, але потім після аналізу він відповів таким чином: а щодо міркувань Шредінгера, то їх переконливість полягає в аналогії з електродинамікою, в якій напруга і щільність енергії будь-якого поля відмінні від нуля. Однак я не можу знайти причини, чому так само має бути справа і для гравітаційних полів. Гравітаційні поля можна задавати, не вводячи напруги та щільності енергії». Або ще: «…для нескінченно малої області координати завжди можна вибрати таким чином, що гравітаційне поле буде відсутнє в ній».

Ми бачимо, що Ейнштейн свідомо відійшов від класичного поняття поля як матеріальної субстанції, яку навіть локально ніколи не можна знищити вибором системи відліку, і зробив він це в ім'я локального принципу еквівалентності сил інерції та гравітації, який був зведений ним у ранг фундаментального принципу, хоча фізичних підстав для цього не було. Все це і призвело до уявлення про неможливість локалізації гравітаційної енергії у просторі.

Інша складність, пов'язана з попередньою, належала до формулювання законів збереження енергії та імпульсу. На неї вперше вказав Д. Гільберт. У 1917 р. він писав: «Я стверджую… що для загальної теорії відносності, тобто у разі загальної інваріантності гамільтонової функції, рівнянь енергії, які… відповідають рівнянням енергії в ортогонально-інваріантних теоріях (мається на увазі теорія поля у просторі Мінківського) ), взагалі не існує. Я навіть міг би відзначити цю обставину як характерну межу загальної теорії відносності». На жаль, цей вислів Гільберта був зрозумілий сучасниками, оскільки ні сам Ейнштейн, ні інші фізики не усвідомили, що у ВТО у принципі неможливі закони збереження енергії-імпульсу та моменту кількості руху.

Але Ейнштейн ясно розумів фундаментальне значення законів збереження енергії імпульсу речовини і гравітаційного поля, разом узятих, а тому зовсім не збирався від них відмовлятися. У 1918 р. він провів у рамках ОТО дослідження, в якому, як він писав, «поняття енергії та імпульсу встановлюються так само чітко, як і в класичній механіці». У тому року Ф. Клейн підтвердив результати Ейнштейна. З того часу при викладі цього питання буквально слідують Ейнштейну. Здавалося б, проблему повністю вирішили, і Ейнштейн до неї більше не повертався. Однак уважний аналіз показує, що в міркуваннях Ейнштейна і Клейна міститься проста, але принципова помилка. Суть її полягає в тому, що величина J?, Якою оперував у своїх міркуваннях Ейнштейн, ототожнивши її компоненти з енергією та імпульсом, просто дорівнює нулю. Ейнштейну не судилося побачити, що ухвалення ОТО з необхідністю веде до відмови від фундаментальних законів збереження, а останнє, як показано нами, безпосередньо призводить до висновку, що інертна маса тіла (як вона визначена в ОТО) не дорівнює його активної гравітаційної маси. Але це означає, що ОТО не може пояснити експериментальний факт рівності цих мас, адже Ейнштейн вважав, що саме він є наслідком його теорії. Однак виявилось, що це не так. Основна причина відсутності в ОТО законів збереження у тому, що у риманової геометрії у випадку немає групи руху простору, отже, симетрії простору-часу, що призводить до законам збереження. І хоча останнє математикам було гранично очевидно, та й фізики, мабуть, знали про це, проте відсутність глибокого розуміння математичних витоків законів збереження не дозволило зробити єдино правильний висновок про те, що законів збереження в ОТО не може бути. Роботи Ейнштейна та Клейна, про які ми писали вище, створили ілюзорну впевненість у наявності законів збереження у ВТО. Ця впевненість існує і в наші дні. Апарат риманової геометрії завдяки своїй витонченості та красі настільки захопив фізиків, що займаються гравітацією, що майже повністю відірвав їх від фізичної реальності.

Надання фізичного сенсу математичним побудов без фізичних ідей - заняття дуже сумнівне, але поширене і в наш час. Таким чином, ухвалення концепції ОТО веде до відмови від ряду фундаментальних принципів, що лежать в основі фізики. По-перше, це відмова від законів збереження енергії-імпульсу та моменту кількості руху речовини та гравітаційного поля, разом узятих. По-друге, відмова від уявлення гравітаційного поля як класичного поля типу Фарадея-Максвелла, що має щільність енергії-імпульсу. Для багатьох фізиків, які займаються ОТО, це неясно і досі, інші ж схильні розглядати відмову від законів збереження як найбільше досягнення теорії, що скинула таке поняття, як «енергія». Однак ні в макро-, ні в мікросвіті немає жодного експериментального факту, що прямо чи опосередковано ставить під сумнів справедливість законів збереження матерії. Тому ми були б надто легковажними, якби свідомо відмовилися від цих законів без належних експериментальних підстав. Без законів збереження теорія може бути задовільною. Відмова від ВТО продиктована як логікою фізичних уявлень, і експериментальними фактами.

Віддаючи належне ОТО як певного важливого етапу у вивченні гравітації, можна викласти суть принципів релятивістської теорії гравітації, побудованої на основі фундаментальних законів збереження.

В основу релятивістської теорії гравітації (РТГ) покладено такі фізичні вимоги. У теорії повинні суворо виконуватися закони збереження енергії-імпульсу та моменту кількості руху для речовини та гравітаційного поля, разом узятих. Під речовиною розуміються всі форми матерії (включаючи електромагнітне поле) за винятком гравітаційної. Закони збереження відображають загальні динамічні властивості матерії та дозволяють ввести єдині характеристики для різних її форм. Загальні динамічні властивості матерії знаходять втілення у структурі геометрії простору-часу. Вона з необхідністю виявляється псевдоевклідовою (іншими словами, теорія будується у просторі Мінковського). Таким чином, геометрія визначається не угодою, як вважав Пуанкаре, а однозначно визначається законами збереження. Простір Мінковського, як уже сказано, має чотирипараметричну групу трансляцій та шестипараметричну групу обертань. Це положення кардинальним чином відрізняє РТГ від загальної теорії відносності і повністю виводить нас із риманової геометрії. Гравітаційне поле описується симетричним тензором і є реальним фізичним полем, що має щільність енергії та імпульсу. Якщо цьому полю зіставити частинки (кванти поля), то вони повинні мати нульову масу спокою, оскільки гравітаційна взаємодія далекосяжна. При цьому реальні і віртуальні кванти гравітаційного поля можуть мати стани зі спинами 2 і 0.

Таке визначення гравітаційного поля повертає йому фізичну реальність, оскільки його навіть локально не можна знищити вибором системи відліку, отже, немає ніякої (навіть локальної) еквівалентності між гравітаційним полем і силами інерції. Ця фізична вимога докорінно відрізняє РТГ від ОТО. Ейнштейн у ВТО ототожнив гравітацію з метричним тензором ріманова простору, але цей шлях і привів до втрати поняття гравітаційного поля як фізичного поля, а також втрати законів збереження. Відмова від цього положення ВТО продиктована насамперед прагненням зберегти теоретично гравітації ці фундаментальні фізичні поняття.

Система рівнянь Максвелла для електромагнітного поля та рівнянь РТГ. Їх подібність є відображенням одного з основних положень РТГ, згідно з яким гравітаційне поле розглядається як фізичне поле, що має щільність енергії та імпульсу. Замість нього в теорію вводиться принцип геометризації, суть якого в наступному: взаємодія гравітаційного поля з речовиною в силу своєї універсальності описується шляхом підключення гравітаційного поля Фik до метричного тензора?ik простору Мінковського. Це завжди можна здійснити, оскільки яку б форму матерії ми не обрали, до її вихідних фізичних рівнянь увійде метричний тензор простору Мінковського. Інакше й не може бути, тому що фізичні процеси протікають у часі та просторі.

Згідно з Ейнштейном рух речовини відбувається в римановому просторі-часі, а простору Мінковського в ЗТО немає. Відповідно до принципу геометризації речовина рухається у просторі Мінковського під дією гравітаційного поля. Такий рух справді еквівалентний руху в деякому «ефективному» римановому просторі. Гравітаційне поле змінює геометрію інших полів. Наявність простору Мінковського в РТГ дозволяє розглядати гравітаційне поле як звичайне фізичне поле на кшталт Фарадея-Максвелла із його звичайними властивостями носія енергії-импульса.

Отже, не приватні фізичні прояви руху матерії, та її найбільш загальні динамічні властивості визначають структуру геометрії, що має лежати основу фізичної теорії. У релятивістській теорії гравітації (РТГ) геометрія визначається не на основі вивчення руху світла та пробних тіл, а на основі загальних динамічних властивостей матерії – її законів збереження, які не лише мають фундаментальне значення, а й експериментально перевіряються. При цьому рух світла та пробних тіл обумовлений простою дією гравітаційного поля на речовину у просторі Мінковського. Таким чином, простір Мінковського та гравітаційне поле є вихідними, первинними поняттями, а «ефективний» римановий простір – поняттям вторинним, зобов'язаним своїм походженням гравітаційному полю та його універсальній дії на речовину. У суті принципу геометризації закладено поділ сил інерції та гравітаційного поля. Але цей поділ лише тоді може бути фізично реалізований, коли до рівнянь для гравітаційного поля входитиме метричний тензор простору Мінковського. В ОТО, як легко переконатися безпосередньо з рівнянь Гільберта - Ейнштейна, такий поділ неможливий, оскільки в риманової геометрії, на якій заснована ОТО, немає поняття простору Мінковського. Тому помилковими, наприклад, є твердження, що ОТО можна отримати, виходячи з концепцій простору Мінковського. У принципі геометризації, з одного боку, повністю виключено ідею Ейнштейна про ототожнення гравітації з метричним тензором риманова простору, з другого - розвинена ідея Ейнштейна про риманової геометрії. Якщо простір-час повністю визначається метричним тензором, то матерія характеризується своїм тензором енергії-імпульсу. Для кожної форми матерії він має певний вигляд. Повний тензор енергії-імпульсу речовини і гравітаційного поля в просторі Мінковського є тензором, що зберігається. Зважаючи на універсальний характер гравітації він і повинен служити в рівняннях РТГ джерелом гравітаційного поля. Повна система рівнянь релятивістської теорії гравітації може бути формально отримана з рівнянь Максвелла для електродинаміки, якщо замість векторного електромагнітного поля в лівій частині рівнянь ми поставимо тензорне гравітаційне поле, а електромагнітний струм, що зберігається, замінимо тензором енергії-імпульсу всієї матерії.

Звичайно, такий висновок є просто евристичним прийомом, і він жодною мірою не може претендувати на строгість. Але точний розгляд на підставі викладених раніше принципів РТГ у поєднанні з локальною калібрувальною інваріантністю однозначно призводять саме до такої системи із 14 гравітаційних рівнянь. Чотири додаткові польові рівняння РТГ визначають фізичну структуру гравітаційного поля і принципово відокремлюють все, що відноситься до сил інерції, від усього, що має відношення до гравітаційного поля.

Інші десять рівнянь збігаються з рівняннями Гільберта-Ейнштейна з тією лише принциповою різницею, що польові змінні в них є функціями координат Мінковського. Це зовсім змінює їхній фізичний зміст і відрізняє від рівнянь ОТО. Всі рівняння загальноковаріантні, тобто мають однаковий вигляд у всіх системах відліку простору Мінковського, і до них явно входить метричний тензор цього простору. Це означає, що простір Мінковського знаходить свій відбиток у законах збереження, а й у описі фізичних явищ. Усі компоненти поля (електромагнітного, гравітаційного тощо. буд.) нашої теорії є функціями координат простору Минковского. Це має важливе значення. Вирішуючи систему рівнянь поля, ми встановлюємо залежність метричного тензора «ефективного» риманова простору як від координат простору Мінковського, так і від гравітаційної постійної G. Власний час (вимірюється годинами, що рухаються разом з речовиною) виявляється залежним від координат простору Мінковського і гравіту. Отже, хід свого часу обумовлений характером гравітаційного поля.

Присутність метричного тензора простору Мінковського в рівняннях поля дозволяє відокремити сили інерції від гравітаційних та у всіх випадках знайти їх вплив на ті чи інші фізичні процеси. Тому простір Мінковського є фізичним, а отже, і спостережуваним.

Характеристики його, якщо це необхідно, завжди можна перевірити шляхом відповідної обробки експериментальних даних руху світлових сигналів і пробних тіл в «ефективному» римановому просторі. «Щодо міркування, що пряма, як промінь світла, більш безпосередньо спостерігається, - писав свого часу В. А. Фок, - то воно не має жодного значення: у визначеннях вирішальним є не безпосередня спостерігальність, а відповідність природі, хоча б це відповідність і встановлювалося шляхом непрямих висновків».. Отже, спостережуваність треба розуміти над примітивному, а більш загальному і глибокому сенсі як адекватність природі.

Зрозуміло, РТГ у жодному разі виключає можливість опису матерії в «ефективному» римановому просторі. Рівняння РТГ містять метричний тензор простору Мінковського, а тому всі функції, що описують фізичні поля, виражаються в єдиних координатах для всього простору-часу Мінковського, наприклад, у галілеєвих (декартових) координатах. Рівняння Гільберта-Ейнштейна в поєднанні з рівняннями, що визначають структуру гравітаційного поля, набувають нового фізичного змісту, при цьому вони змінюються і спрощуються. Закони збереження енергії-імпульсу речовини та гравітаційного поля, разом узяті, є наслідками рівнянь РТГ та відображають псевдоевклідову структуру простору-часу. Усього перерахованого ОТО в принципі позбавлена, оскільки в риманової геометрії, повторимо, немає поняття простору Мінковського.

Тепер - про деякі фізичні наслідки РТГ. На початку 20-х років А. А. Фрідман, вирішуючи рівняння Гільберта - Ейнштейна в припущенні, що щільність речовини в кожній точці простору однакова і залежить тільки від часу (фридманівський однорідний і ізотропний Всесвіт), виявив, що можливі три моделі нестаціонарного Всесвіту ( фридманівські моделі Всесвіту). Кожен тип Всесвіту визначається співвідношенням між густиною речовини в даний момент і так званою критичною густиною, яка визначається на підставі вимірювання постійної Хаббла. Якщо щільність речовини більша критичної, то Всесвіт замкнутий і має кінцевий об'єм, але не має меж. Якщо щільність речовини менша або дорівнює критичній, то Всесвіт нескінченний.

На питання, яка з цих моделей реалізується в природі, ВТО в принципі не може дати певної відповіді. Відповідно до РТГ фридманівський однорідний і ізотропний Всесвіт нескінченний, і він може бути лише плоским - його тривимірна геометрія евклідова. І тут щільність речовини у Всесвіті точно дорівнює критичної щільності. Таким чином, РТГ передбачає, що у Всесвіті має існувати «прихована маса», щільність якої майже в 40 разів перевищує щільність речовини, що спостерігається сьогодні.

Іншим важливим наслідком РТГ є твердження, що сумарна щільність енергії речовини та гравітаційного поля у Всесвіті має дорівнювати нулю.

Пророцтво РТГ у розвиток фридманівської однорідної і ізотропної Всесвіту істотно відрізняється від висновків ОТО. Далі, з ОТО слідує, що об'єкти з масою, що перевищує три маси Сонця, за кінцевий проміжок власного часу повинні необмежено стискатися гравітаційними силами (колапсувати), досягаючи при цьому нескінченної щільності. Об'єкти такого типу отримали назву чорних дірок. Вони не мають матеріальної поверхні, і тому тіло, що падає в чорну дірку, при перетині її кордону не зустріне нічого, окрім порожнього простору. З внутрішньої області чорної діри через її кордон не може вирватися назовні навіть світло. Іншими словами, все, що відбувається всередині чорної дірки, в принципі, не пізнано для зовнішнього спостерігача.

Дж. Вілер розглядав гравітаційний колапс і сингулярність (нескінченну щільність), що виникає при цьому, як одна з найбільших криз всіх часів для фундаментальної фізики. Релятивістська теорія гравітації докорінно змінює уявлення про характер гравітаційного колапсу. Вона призводить до явища гравітаційного уповільнення часу, завдяки якому стиск масивного тіла у супутній системі відліку відбувається за кінцевий час. При цьому, що найголовніше, густина речовини залишається кінцевою і не перевищує 1016 г/см в кубі, яскравість тіла експоненційно зменшується, об'єкт «чорніє», але на відміну від чорних дірок завжди має матеріальну поверхню. Такі об'єкти, якщо вони виникають, мають складну будову, при цьому жодного гравітаційного «самозамикання» не відбувається, а тому речовина не зникає з нашого простору. У РТГ свій час для падаючого пробного тіла залежить як від координат простору Мінковського, і від гравітаційної постійної G, отже, хід свого часу визначається характером гравітаційного поля. Саме ця обставина і призводить до того, що власний час для пробного тіла, що падає, необмежено сповільнюється в міру наближення до так званого шварцшильдівського радіусу.

Таким чином, згідно з РТГ, жодних чорних дірок - об'єктів, в яких відбувається катастрофічно сильне стиснення речовини до нескінченної щільності і які не мають матеріальної поверхні, - в принципі не може бути в природі. Усе це принципово відрізняє прогнози РТГ від прогнозів ОТО. Стиснення масивних об'єктів, коли тиск не дорівнює нулю, буде, звичайно, слабкішим, оскільки внутрішній тиск перешкоджає гравітаційному тяжінню. Еволюція реальних об'єктів вимагає детальнішого вивчення з допомогою рівняння стану речовини і дуже цікавою проблемою.

РТГ пояснює всю наявну сукупність спостережних та експериментальних даних для гравітаційних ефектів у Сонячній системі. Детальний аналіз показує, що передбачення ОТО для гравітаційних ефектів у Сонячній системі неоднозначні, причому для одних ефектів свавілля виникає у членах першого порядку по гравітаційній постійній G, а для інших – у членах другого порядку. У чому причина такої неоднозначності? У ВТО визначення компонент метричного тензора риманова простору у якихось координатах необхідно задати звані координатні умови, які дуже довільні і завжди нековаріантні (належать лише до певної обраної системі координат). Залежно від виду цих умов ми в тих самих координатах у загальному випадку обов'язково отримаємо різні метричні тензори. Але різні метричні тензори в одних і тих же координатах будуть давати і різні геодезичні, отже, будуть різні і передбачення ОТО для руху світла та пробних тіл.

Отже, релятивістська теорія гравітації, побудована на підставі законів збереження та уявлень про гравітаційне поле як фізичне поле, що має щільність енергії-імпульсу, у поєднанні з принципами геометризації та локальної калібрувальної інваріантності пояснює всі відомі спостережні та експериментальні дані про гравітацію та дає нові передбачення фридманівського Всесвіту та гравітаційного колапсу.

Бібліографія

Денисов У. І., Логунов А. А. Сучасні проблеми математики. Підсумки науки та техніки. М., 1982.

Ландау Л. Д., Ліфшиц Короткий курс теоретичної фізики. М., 1969.

Логунов А. А. Нові уявлення про простір, час і гравітацію// Наука і людство: Міжнародний щорічник. М., 1988.

Логунов А. А. Лекції з теорії відносності та гравітації. М., 1985.

Логунов А. А. Теорія гравітаційного поля. М., 2000 (2001).

Логунов А. А., Лоскутов Ю. М. Неоднозначність передбачень загальної теорії відносності та релятивістська теорія гравітації. М., 1986.

Логунов А. А., Мествірішвілі М. А. Основи релятивістської гравітації. М., 1982.

Клейн Ф. Про інтегральну форму законів збереження та теорії просторово замкнутого світу// Ейнштейнівський збірник.1980-1981. М., 1985.

Фок В. А. Теорія простору, часу та тяжіння. М., 1965.

Шредінгер Е. Компоненти енергії гравітаційного поля/Ейнштейнівський збірник. 1980-1981. М., 1985.

Ейнштейн А. Збори наукових праць. М., 1965. Т. 1.

Тема №201

Ефір 21.01.03

Хронометраж 46:00.

Теорія дії, гравітації.

Ухвалений закон Всесвітнього тяжіння не відображає сутність тяжіння тіл. Цей закон трактує, що це тіла (маси) притягуються одне до одного з певною силою. У реальному світі це не так, є тіла, які притягуються, відштовхуються або на них не діє сила гравітації. Декілька прикладів. Фотон - матеріальна частка, згідно із законом всесвітнього тяжіння потік фотонів, що виходять від далеких джерел, повинен перетворитися на єдину масу за мільйони років свого шляху, але цього не відбувається, тобто закон не працює. Шматочки обшивки КА, міжпланетних станцій не притягуються до корпусу, знову закон не працює. Нейтрино та деякі інші елементарні частки не сприймають гравітацію, закон знову не працює. Можна навести ще багато прикладів, де закон всесвітнього тяжіння не працює. Напрошується висновок це істина чи неправильно тлумачений наш світогляд на явище гравітації. Чи існує насправді гравітаційне поле чи ні. На це питання і відповідає ця теорія. У заголовку статті я вказував, що немає полів, а є локальна область, в якій діють ті чи інші сили. Відома формула що виражає залежність сили тяжіння мас з погляду математики правильна, бо математика оперує числами без їх розмірності, з фізичної погляду - абсурд. Процес множення однієї маси на іншу не має фізичного сенсу, це все одно, що помножити масу їжака на масу змії та отримати колючий дріт. Фізики тут знайшли вихід, вони вводять коефіцієнт дають йому певну розмірність, потім за правилами математики надмірна розмірність скорочується, тобто. йде припасування до відповіді. Такі речі спостерігаються і в інших фізичні формули. Будь-яка матеріальна частка має певний коефіцієнт активності по відношенню до інших частинок (мас). Якщо в цю формулу для кожної маси ввести коефіцієнт активності то при або =0 сила F=0, тобто. ці маси не притягується один до одного, що не узгоджується із законом всесвітнього тяжіння (частки нейтрино, фотони та деякі інші не схильні до впливу "гравітаційного поля"). Твердження Ейнштейном про вплив "гравітаційного поля" Сонця, при проходженні фотонів крізь газову оболонку Сонця - не так. Це звичайне оптичне явище - заломлення ходу променів, у підручниках фізики воно докладно описано. Дуже багато хто знає, що тепле повітря, дим, повітряні кулі і т.д. піднімаються нагору, плавають кораблі. Вважається, що тепле повітря, дим легший за повітря, тому він і піднімається вгору, а що означає легше, в чому сутність явища відповіді немає. Тут проявляється загальна закономірність, справедлива для рідкого та газового середовища, якщо питома щільність об'єму (корабель, повітряна куля, локальна область теплого повітря), менша, ніж питома щільність об'єму навколишнього середовища, що витісняється, то дане тіло буде видавлюватися з навколишнього середовища в протилежному напрямку дії сил тяжіння під впливом відцентрової сили. Чим не закон Архімеда, який помітив цю закономірність. При русі матеріальних частинок у просторі утворюється сферичний турбулентний слід, де щільність денійної матерії набагато менше, ніж у навколишньому просторі. Ця область починає заповнюватися денами, захоплюючи у себе більші частки.

Явище, у якому відбувається переміщення об'єкта, під впливом денів у область із меншою щільністю називається дійністю.

Для того щоб створити тяжіння маси (гравітацію) необхідно мати джерело, що створює спрямований потік денійної матерії. На цьому малюнку умовно відображена частина сфери джерела (оболонки) впливу, що має власну вісь обертання і створює спрямований до центру системи рух денійної матерії. Матеріальне тіло перебуває у потоці денійної матерії. Частина потоку проходить крізь тіло, інша частина огинає поверхню. У верхній точці кількість денів більше, ніж у нижній (область А), тобто. з'являється різницева щільність денійної матерії та виникає результуючий вплив, який переміщає його у напрямку руху денійної матерії. Якщо це тіло знаходиться на поверхні джерела, воно відчуває результуючий вплив потоку денійної матерії. Цю величину ми називаємо вагою тіла. Вага тіла залежить від коефіцієнта щільності даної маси та від характеристик потоку денійної матерії. До речі, необхідно визначитися в яких одиницях вимірювати вагу тіла, бо в даний час прийнято вимірювати вагу і масу в тих самих одиницях. Через деякий час людина почне освоювати інші планети, де вага і маса відрізнятимуться завбільшки, т.к. маса - це міра кількості, а вага це сила дії. Величина тяжіння різних відстанях від поверхні джерела, що створює потік денійної матерії, залежить від кривизни поверхні джерела і характеристик потоку денійної матерії. Я розглядав варіант, коли питома щільність маси тіла більша, ніж питома щільність витісненої ним денійної матерії. У цьому випадку тіло переміщається у напрямку потоку матерії, або це те, що ми називаємо гравітацією. Якщо переміщення тіла під дією повітряних або рідинних потоків відрізняється сутністю процесу, подумайте самі. У всіх переміщеннях результуючу силу створює потік матерії, чи то газова, рідинна чи денійна матерія, але ми продовжуємо вигадувати назву одному й тому явищу у всіх його проявах. Мова фізики одна - це МОВА ФІЗИКИ. Розглянемо інший приклад, коли питома щільність обсягу матеріального тіла, що омітається, менше, ніж, витіснена ним, питома щільність денійної матерії. При знаходженні даного тіла в потоці денійної матерії, створеної сферичним джерелом, щільність матерії по висоті різна, в нижній області (область А) щільність більша ніж у верхній області і на підставі явища денійності тіло переміщається вгору, в земних умовах результуючою силою є відцентрова (до (наприклад повітряна куля, тепле повітря і т.д.). Наступний варіант - це рівність питомої густини маси тіла та денійної матерії. В цьому випадку сила впливу та опору рівні. Тіло перебуває у рівновазі у цій точці простору (за відсутності додаткових сил). Дане явище зветься - невагомість.

Вплив має контактний (механічний) характер, при якому відбувається зміна характеристик задіяних частинок.

Гравітація є вплив денійного потоку матерії на матеріальні тіла. Вага тіла є величина впливу денійного потоку матерії, що залежить від швидкості, напряму та щільності денійного потоку матерії, а також від величини коефіцієнта щільності маси даного тіла.

В даний час ведеться полеміка про "темну, світлу або якогось іншого кольору енергії", енергія одна- цеЕНЕРГІЯ ДЕНІЙНОГО ПОТОКУ МАТЕРІЇ, її ще називають космічною енергією.

Не дивлячись на те, що гравітація – це слабка взаємодія між об'єктами у Всесвіті, її значення у фізиці та астрономії величезне, оскільки вона здатна впливати на фізичні об'єкти на будь-якій відстані у космосі.

Якщо ви захоплюєтеся астрономією, ви напевно замислювалися над питанням, що таке поняття, як гравітація або закон всесвітнього тяжіння. Гравітація – це універсальна фундаментальна взаємодія між усіма об'єктами у Всесвіті.

Відкриття закону гравітації приписують знаменитому англійському фізику Ісааку Ньютону. Напевно, багатьом із вас відома історія з яблуком, яке впало на голову знаменитому вченому. Тим не менш, якщо заглянути вглиб історії, можна побачити, що про наявність гравітації замислювалися ще задовго до його епохи філософи та вчені давнини, наприклад, Епікур. Тим не менш, саме Ньютон вперше описав гравітаційну взаємодію між фізичними тілами у рамках класичної механіки. Його теорію розвинув інший знаменитий вчений - Альберт Ейнштейн, який у своїй загальній теорії відносності більш точно описав вплив гравітації в космосі, а також роль у просторово-часовому континуумі.

Закон всесвітнього тяжіння Ньютона говорить, що сила гравітаційного тяжіння між двома точками маси, розділеними відстанню обернено пропорційна квадрату відстані і прямо пропорційна обом масам. Сила гравітації є далекодіючою. Тобто, незалежно від того, як рухатиметься тіло, що має масу, у класичній механіці його гравітаційний потенціал залежатиме суто від положення цього об'єкта в даний момент часу. Чим більша маса об'єкта, тим більше його гравітаційне поле – тим потужнішою гравітаційною силою він має. Такі космічно об'єкти, як галактики, зірки і планети мають найбільшу силу тяжіння і відповідно досить сильні гравітаційні поля.

Гравітаційні поля

Гравітаційне поле Землі

Гравітаційне поле – це відстань, у якого здійснюється гравітаційне взаємодія між об'єктами у Всесвіті. Чим більша маса об'єкта, тим сильніше його гравітаційне поле – тим відчутніший його вплив на інші фізичні тіла в межах певного простору. Гравітаційне поле об'єкта є потенційним. Суть попереднього твердження полягає в тому, що якщо ввести потенційну енергію тяжіння між двома тілами, вона не зміниться після переміщення останніх по замкнутому контуру. Звідси випливає ще один знаменитий закон збереження суми потенційної та кінетичної енергії у замкнутому контурі.

У матеріальному світі гравітаційне поле має велике значення. Їм володіють всі матеріальні об'єкти у Всесвіті, які мають масу. Гравітаційне поле здатне впливати як на матерію, а й у енергію. Саме за рахунок впливу гравітаційних полів таких великих космічних об'єктів, як чорні дірки, квазари та надмасивні зірки, утворюються сонячні системи, галактики та інші астрономічні скупчення, яким властива логічна структура.

Останні наукові дані показують, що знаменитий ефект розширення Всесвіту так само ґрунтується на законах гравітаційної взаємодії. Зокрема розширенню Всесвіту сприяють потужні гравітаційні поля як невеликих, так і найбільших її об'єктів.

Гравітаційне випромінювання у подвійній системі

Гравітаційне випромінювання або гравітаційна хвиля - термін, вперше введений у фізику та космології відомим вченим Альбертом Ейнштейном. Гравітаційне випромінювання теоретично гравітації породжується рухом матеріальних об'єктів із змінним прискоренням. Під час прискорення об'єкта гравітаційна хвиля хіба що «відривається» від цього, що призводить до коливань гравітаційного поля у навколишньому просторі. Це називають ефектом гравітаційної хвилі.

Хоча гравітаційні хвилі передбачені загальною теорією відносності Ейнштейна, а також іншими теоріями гравітації, вони ще жодного разу не були виявлені безпосередньо. Пов'язано це насамперед із їх надзвичайною дрібницею. Однак у астрономії існують непрямі свідчення, здатні підтвердити цей ефект. Так, ефект гравітаційної хвилі можна спостерігати з прикладу зближення подвійних зірок. Спостереження підтверджують, що темпи зближення подвійних зірок певною мірою залежать від втрати енергії цих космічних об'єктів, яка, ймовірно, витрачається на гравітаційне випромінювання. Вірогідно підтвердити цю гіпотезу вчені зможуть найближчим часом за допомогою нового покоління телескопів Advanced LIGO та VIRGO.

У сучасній фізиці існує два поняття механіки: класична та квантова. Квантова механіка була виведена відносно недавно і принципово відрізняється від класичної механіки. У квантовій механіці об'єкти (кванти) не мають певних положень і швидкостей, все тут базується на ймовірності. Тобто об'єкт може займати певне місце у просторі у певний момент часу. Куди переміститися він далі, достовірно визначити не можна, а лише з високою ймовірністю.

Цікавий ефект гравітації полягає в тому, що вона здатна викривляти просторово-часовий континуум. Теорія Ейнштейна свідчить, що у просторі навколо згустку енергії чи будь-якого матеріального речовини простір-час викривляється. Відповідно змінюється траєкторія частинок, які потрапляють під вплив гравітаційного поля цієї речовини, що дозволяє з високою ймовірністю передбачити траєкторію їх руху.

Теорії гравітації

Сьогодні вченим відомо понад десяток різних теорій гравітації. Їх поділяють на класичні та альтернативні теорії. Найбільш відомим представником перших є класична теорія гравітації Ісаака Ньютона, яка була придумана відомим британським фізиком ще 1666 року. Суть її полягає в тому, що масивне тіло в механіці породжує довкола себе гравітаційне поле, яке притягує до себе менші об'єкти. У свою чергу останні також мають гравітаційне поле, як і будь-які інші матеріальні об'єкти у Всесвіті.

Наступна популярна теорія гравітації була вигадана всесвітньо відомим німецьким ученим Альбертом Ейнштейном на початку ХХ століття. Ейнштейну вдалося точніше описати гравітацію, як явище, і навіть пояснити її дію у класичній механіці, а й у квантовому світі. Його загальна теорія відносності описує здатність такої сили, як гравітація, впливати на просторово-часовий континуум, а також на траєкторію руху елементарних частинок у просторі.

Серед альтернативних теорій гравітації найбільшої уваги, мабуть, заслуговує на релятивістську теорію, яка була придумана нашим співвітчизником, знаменитим фізиком А.А. Логуновим. На відміну від Ейнштейна, Логунов стверджував, що гравітація – це геометричне, а реальне, досить сильне фізичне силове поле. Серед альтернативних теорій гравітації відомі також скалярна, біметрична, квазілінійна та інші.

1. Людям, які побували в космосі і повернулися на Землю, досить важко спочатку звикнути до сили гравітаційного впливу нашої планети. Іноді на це йде кілька тижнів.
2. Доведено, що людське тіло може невагомості втрачати до 1% маси кісткового мозку на місяць.
3. Найменшою силою тяжіння у Сонячній системі серед планет має Марс, а найбільшою – Юпітер.
4. Відомі бактерії сальмонели, які є причиною кишкових захворювань, у стані невагомості поводяться активніше і здатні завдати людському організму набагато більшої шкоди.
5. Серед усіх відомих астрономічних об'єктів у Всесвіті найбільшу силу гравітації мають чорні дірки. Чорна діра розміром з м'ячик для гольфу, може мати ту ж гравітаційну силу, що і вся наша планета.
6. Сила гравітації Землі однакова в усіх куточках нашої планети. Наприклад, в області Гудзонової затоки в Канаді вона нижча, ніж в інших регіонах земної кулі.

Гравітаційна взаємодія – одна з чотирьох фундаментальних взаємодій у нашому світі. В рамках класичної механіки, гравітаційна взаємодія описується законом всесвітнього тяжінняНьютона, який свідчить, що сила гравітаційного тяжіння між двома матеріальними точками маси m 1 і m 2 , розділеною відстанню R, пропорційна обом масам і обернено пропорційна квадрату відстані - тобто

Тут G- гравітаційна постійна, рівна приблизно м³/(кг с²). Знак мінус означає, що сила, що діє на тіло, завжди дорівнює напрямку радіус-вектору, спрямованому на тіло, тобто гравітаційна взаємодія призводить завжди до тяжіння будь-яких тіл.

Закон всесвітнього тяжіння - один із додатків закону зворотних квадратів, що зустрічається так само і при вивченні випромінювань (див. наприклад, Тиск світла), і є прямим наслідком квадратичного збільшення площі сфери при збільшенні радіусу, що призводить до квадратичного зменшення вкладу будь-якої одиничної площі в площу всієї сфери.

Найбільш простим завданням небесної механіки є гравітаційна взаємодія двох тіл у порожньому просторі. Це завдання вирішується аналітично остаточно; Результат її рішення часто формулюють у вигляді трьох законів Кеплера.

При збільшенні кількості тіл, що взаємодіють, завдання різко ускладнюється. Так, вже відома задача трьох тіл (тобто рух трьох тіл з ненульовими масами) не може бути вирішена аналітично в загальному вигляді. При чисельному рішенні, досить швидко настає нестійкість рішень щодо початкових умов. У застосуванні до Сонячної системи ця нестійкість не дозволяє передбачити рух планет на масштабах, що перевищують сотню мільйонів років.

У окремих випадках вдається знайти наближене рішення. Найбільш важливим є випадок, коли маса одного тіла істотно більша за масу інших тіл (приклади: сонячна система та динаміка кілець Сатурна). У цьому випадку в першому наближенні можна вважати, що легкі тіла не взаємодіють один з одним і рухаються кеплеровими траєкторіями навколо масивного тіла. Взаємодії між ними можна враховувати у межах теорії збурень , і усереднювати за часом. При цьому можуть виникати нетривіальні явища, такі як резонанси, атрактори, хаотичність і т. д. Наочний приклад таких явищ – нетривіальна структура кілець Сатурна.

Незважаючи на спроби описати поведінку системи з великої кількості тіл, що притягуються, приблизно однакової маси, зробити цього не вдається через явища динамічного хаосу.

Сильні гравітаційні поля

У сильних гравітаційних полях, під час руху з релятивістськими швидкостями, починають проявлятися ефекти загальної теорії відносності:

• відхилення закону тяжіння від ньютоновського;
• запізнення потенціалів, пов'язане з кінцевою швидкістю поширення гравітаційних збурень; поява гравітаційних хвиль;
• ефекти нелінійності: гравітаційні хвилі мають властивість взаємодіяти один з одним, тому принцип суперпозиції хвиль у сильних полях не виконується;
• зміна геометрії простору-часу;
• виникнення чорних дірок;

Гравітаційне випромінювання

Одним із важливих передбачень ОТО є гравітаційне випромінювання, наявність якого досі не підтверджено прямими спостереженнями. Однак, є непрямі наглядові свідчення на користь його існування, а саме: втрати енергії в подвійній системі з пульсаром PSR B1913+16 - пульсаром Халса-Тейлора - добре узгоджуються з моделлю, в якій ця енергія уноситься гравітаційним випромінюванням.

Гравітаційне випромінювання можуть генерувати лише системи зі змінним квадрупольним чи вищими мультипольними моментами , цей факт свідчить, що гравітаційне випромінювання більшості природних джерел спрямоване, що значно ускладнює його виявлення. Потужність гравітаційного l-підлогового джерела пропорційна (v / c) 2l + 2 , якщо мультиполь має електричний тип, та (v / c) 2l + 4 - якщо мультиполь магнітного типу , де v- характерна швидкість руху джерел у випромінюючій системі, а c- швидкість світла. Таким чином, домінуючим моментом буде квадрупольний момент електричного типу, а потужність відповідного випромінювання дорівнює:

де Q ij- тензор квадрупольного моменту розподілу мас випромінюючої системи. Константа (1/Вт) дозволяє оцінити порядок величини потужності випромінювання.

Починаючи з 1969 року (експерименти Вебера (англ.)) і до сьогодні (лютий 2007) робляться спроби прямого виявлення гравітаційного випромінювання. У США, Європі та Японії зараз існує декілька діючих наземних детекторів (GEO 600), а також проект космічного гравітаційного детектора республіки Татарстан.

Тонкі ефекти гравітації

Крім класичних ефектів гравітаційного тяжіння і уповільнення часу, загальна теорія відносності передбачає існування інших проявів гравітації, які в земних умовах дуже слабкі і їх виявлення та експериментальна перевірка тому дуже скрутні. Досі подолання цих труднощів представлялося поза можливостей експериментаторів.

Серед них, зокрема, можна назвати захоплення інерційних систем відліку (або ефект Лензе-Тіррінга) та гравітомагнітне поле. У 2005 році автоматичний апарат НАСА Gravity Probe B провів безпрецедентний за точністю експеримент із вимірювання цих ефектів поблизу Землі, але його повні результати поки що не опубліковані.

Квантова теорія гравітації

Незважаючи на більш ніж піввікову історію спроб, гравітація - єдина з фундаментальних взаємодій, для якої поки що не побудована несуперечлива квантова теорія, що перенормується. Втім, при низьких енергіях, на кшталт квантової теорії поля , гравітаційне взаємодія можна як обмін гравітонами - калібрувальними бозонами зі спином 2 .

Стандартні теорії гравітації

У зв'язку з тим, що квантові ефекти гравітації надзвичайно малі навіть у екстремальних експериментальних і спостережних умовах, досі не існує їх надійних спостережень. Теоретичні оцінки показують, що у переважній більшості випадків можна обмежитися класичним описом гравітаційної взаємодії.

Існує сучасна канонічна класична теорія гравітації - загальна теорія відносності, і безліч гіпотез і теорій різного ступеня розробленості, що уточнюють її, конкурують між собою (див. статтю Альтернативні теорії гравітації). Всі ці теорії дають дуже схожі передбачення у межах того наближення, у якому нині здійснюються експериментальні тести. Далі описані кілька основних, найбільш добре розроблених чи відомих теорій гравітації.

• Гравітація є геометричне полі, а реальне фізичне силове поле, описуване тензором.

• Гравітаційні явища слід розглядати у межах плоского простору Мінковського, у якому однозначно виконуються закони збереження енергії-імпульсу та моменту кількості руху. Тоді рух тіл у просторі Мінковського еквівалентний руху цих тіл у ефективному римановому просторі.

• У тензорних рівняннях для визначення метрики слід враховувати масу гравітону, а також використовувати умови калібрування, пов'язані з метрикою простору Мінковського. Це не дозволяє знищити гравітаційне поле навіть локально вибором якоїсь відповідної системи відліку.

Як і в ОТО, в РТГ під речовиною розуміються всі форми матерії (включаючи електромагнітне поле), за винятком самого гравітаційного поля. Наслідки з теорії РТГ такі: чорних дірок як фізичних об'єктів, що передбачаються в ОТО, не існує; Всесвіт плоский, однорідний, ізотропний, нерухомий і евклідовий.

З іншого боку, існують не менш переконливі аргументи противників РТГ, які зводяться до таких положень:

Подібне має місце і в РТГ, де друге тензорне рівняння вводиться для врахування зв'язку між неевклідовим простором та простором Мінковського. Завдяки наявності безрозмірного припасування в теорії Йордана - Бранса - Дікке, з'являється можливість вибрати його так, щоб результати теорії збігалися з результатами гравітаційних експериментів.