Гравітація

ГРАВІТА́ЦІЯ (від лат. gravitas — вага, тяжіння) — універсальна взаємодія між усіма видами матерії, взаємне притягання тіл у Всесвіті. Ін. назва — Всесвітнє тяжіння. Залежно від величини сили і швидкості рухомих тіл розрізняють класичну (ньютонівську) теорію Г., теорію тяжіння Айнштайна і релятивістську теорію Г. Теорія Г., розвинена І. Ньютоном на основі праць Ґ. Ґалілея та Й. Кеплера (викладена 687 у кн. «Principia»), стала першою фіз. гіпотезою Г. — мала величина сили взаємодії і швидкість, далека від швидкості світла. Засновник теор. астрономії Й. Кеплер і фізик Дж. Бернуллі пояснювали наявність стабіл. планетар. схеми побудови Соняч. системи існуванням сил взаєм. притягання між тілами, що мають велику масу. Матем. формула, яка вдало описала цю взаємодію, — закон тяжіння І. Ньютона: дві матеріал. точки з масою m₁ і m₂ притягуються по лінії, що з’єднує їх центри, з силою F, прямо пропорційною добутку мас і обернено пропорційною квадрату відстані r між ними: F= G m₁ m₂/ r². Коефіцієнт пропорційності G називається гравітац. сталою, яку вперше визначив Г. Кавендіш (1798): G=(6,673 + 0,003)10^–8 см³/г c². Відповідно до цього закону, сила Г. залежить тільки від розташування матеріал. точок у даний момент часу, тобто вважається, що гравітац. взаємодія розповсюджується миттєво. Ньютонівська теорія Г. дала змогу описати з високою точністю широке коло астроном. явищ (рух планет у Сонячній системі, у подвій. зірках і галактиках). На її основі передбачено існування планети Нептун (1846), супутника Сіріуса та ін. Однак існують умови, що обмежують її застосування: через неузгоджуваність зі спец. теорією відносності її не можна застосувати до тих випадків, коли гравітац. поля настільки сильні, що розганяють рухомі тіла до швидкостей, близьких до світлової. Критерієм її застосовності є співвідношення між модулем гравітац. потенціалу поля і квадратом швидкості світла с у вакуумі: |ϕ|< с². Крім того, ньютонівська теорія не описує траєкторію світла в гравітац. полі, її зміну при взаєм. переміщенні тіл у системі. Теорії Г. на основі спец. теорії відносності узагальнив А. Айнштайн 1915–16, визначивши низку принципів. 1) Принцип еквівалентності — сили інерції в прискореній системі відліку еквівалентні гравітац. полю, тобто гравітац. поле в даній точці можна замінити введенням системи відліку, що рухається з прискоренням вільного падіння. Це еквівалентно однорідному гравітац. полю, однаковому за величиною і напрямком у всьому просторі. А. Айнштайн показав, що в усякому кінцевому об’ємі простору область простір–час буде викривленою (неевклідовою), тобто істинне гравітац. поле є проявом викривлення чотиривимір. простору–часу. 2) Тіла своєю масою викривляють простір–час. Викривлення чотиривимір. простору може здійснюватися також усіма видами енергій, які присутні в системі. Цей принцип є узагальненням принципу еквівалентності маси і енергії у спец. теорії відносності, що відображається формулою Е=mc². 3) Гравітац. поле поширюється у вакуумі зі швидкістю світла. Створення цілісної релятивіст. теорії стало можливим тільки після відкриття неевклідової геометрії, в розроблення якої зробили внесок М. Лобачевський та Г. Мінковський. Матем. апаратом, що вивчає неевклідову геометрію у довільних координатах, є тензорний аналіз. Осн. задача теорії Г. — визначення геометрії просторово-часової координати — зводиться до знаходження матрич. тензора g_ik ріманової геометрії. Осн. гравітац. рівняння Айнштайна зв’язує величину g_ik з характеристиками матерії, яка створює поле:

R_i — тензор Річчі, який можна виразити через похідні величини q_ik; R = R_i g^ik (величина g^ik визначається з рівняння q_ik g^ik = δ_i^m — Кронекера символ); Т_ik — тензор енергії-імпульсу матерії, компоненти якої виражаються через густину, потік імпульсу тощо. У випадку слабких гравітац. полів метрика простір–час мало відрізняється від евклідової і рівняння Айнштайна переходять у рівняння Ньютона. Однак є істотні відмінності — нелінійність, одночасне визначення і руху матерії, що створює поле, і самих характеристик поля. Теорія Айнштайна дала можливість пояснити існування гравітац. хвиль, червоне зміщення і затримку світла в гравітац. полі, повільне повертання еліптичних орбіт планет Сонячної системи (напр., для Меркурія це 43" за 100 років) тощо. При створенні заг. теорії відносності А. Айнштайн опирався на принцип еквівалентності сил інерції і тяжіння. Ігнорування такого фіз. параметра як потік енергії-імпульсу у заг. теорії поля Фарадея–Максвелла приводить до абсурд. висновку про неможливість перенесення гравітац. енергії в просторі від одного тіла до іншого, відмови від закону її збереження.

В основі релятивіст. теорії Г. (засн. Є. Шредінґер, Г. Вейль, X. Лоренц) лежить уявлення про фіз. поле Фарадея–Максвелла, що має енергію-імпульс. З ним співставляють частинки зі спіном 2 і 0, геометрія простору–часу в цьому випадку — псевдоевклідова (простір Мінковського). В основу взаємодії поля з речовиною, що відображається в законі збереження енергії-імпульсу і моменту кількості руху, покладено принцип геометризації, за яким рівняння руху речовини під дією тензорного гравітац. поля ϕ^k у просторі Мінковського з матрич. елементом ϕ^ik може бути представлене як рівняння руху з матричним тензором g^ik. На основі цих двох уявлень у 80-х рр. 20 ст. Д. Гільберт і А. Логунов створили сучасну релятивіст. теорію Г. Якщо за Айнштайном Всесвіт замкнений, то за сучас. релятивіст. теорію Г. він нескінченний; абсолютно інший характер гравітац. колапсу: сповільнення часу, завдяки чому стиснення масивного тіла в системі відбувається протягом скінченного власного часу до певної гравітац. густини 10¹⁶ г/см³. У таких об’єктах гравітац. замикання не відбувається, тому речовина не зникає з нашого простору. З накопиченням знань про Г. виникли нові наук. напрями — космічна медицина і космічна біологія. Серед укр. вчених-дослідників Г. — О. Петров.

Завантажити статтю