Гравитация

Гравитацией называется взаимное притяжение тел, действующее на все объекты во Вселенной. Согласно классическому закону всемирного тяготения И.Ньютона, все тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними; она не зависит от других свойств тел.

Интерес к проблеме гравитации возник задолго до Ньютона. В 4 веке до нашей эры Аристотель утверждал, что все тела падают, потому что они стремятся к центру Вселенной, а этим центром является Земля. При этом считалось, что чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает. Такое представление продержалось около 2 тысячелетий и было опровергнуто в результате опытов Г.Галилея со свободным падением тел. Галилей доказал, что если освободиться от сопротивления воздуха, то все тела упадут на Землю с одинаковым ускорением. Большой вклад в развитие идей о всемирном тяготении внесло открытие И.Кеплером законов движения планет. Все эти факты подготовили почву для открытия И.Ньютоном закона всемирного тяготения в 1685 году. Этот закон, а также сформулированные Ньютоном три основных принципа механики: закон инерции, закон пропорциональности ускорения действующей силе и обратной пропорциональности массе и закон равенства действия противодействию - легли в основу современной классической, или, как часто говорят, ньютоновой, механики.

Всемирное тяготение пронизывает всю Вселенную. Под его действием движутся планеты вокруг Солнца, взаимодействуют галактики, конденсируются частицы в космическом пространстве, образуя звезды, движутся искусственные спутники и другие космические аппараты. Под воздействием этой же силы происходят геотектонические процессы на Земле и других планетах, формируется лик Земли и планет, идут метеорологические процессы (смотрите Гравиметрия).

Но при всей строгости ньютоновой теории тяготения существовала трудность с объяснением механизма тяготения. Каким образом гравитационное взаимодействие передается мгновенно на любые расстояния? В течение 18-19 веков физики искали механизм, объясняющий тяготение. Сам Ньютон пытался вначале объяснить дальнодействие тяготения наличием эфира, тонкого вещества переменной плотности, которое, вытесняя более грубое вещество и заполняя поры тел, вызывает тем самым эффект притяжения. Но впоследствии он от поисков механизма тяготения отказался.

В течение двух веков физики обсуждали два типа механизмов, объясняющих гравитацию: с помощью эфира и с помощью корпускул. Однако эти объяснения не выдерживали серьезной критики. В 1916 году немецкий физик А.Эйнштейн опубликовал работу, в которой он изложил новую теорию гравитации, названную им общей теорией относительности. Эта теория не требует объяснения принципа дальнодействия, а вместе с тем не нуждается ни в эфире, ни в корпускулах.

В общей теории относительности существенную роль играет так называемый принцип эквивалентности. Смысл его заключается в том, что, сообщив наблюдателю некоторое постоянное ускорение, можно полностью имитировать поле тяготения. Более строго принцип эквивалентности формулируется следующим образом. Как известно, во второй закон механики Ньютона F=mИa, где F - сила, a - ускорение, входит коэффициент mИ, называемый инертной массой. Он характеризует степень инерции тела, то есть способность тела сопротивляться внешнему воздействию, которое изменяет его состояние движения. В закон всемирного тяготения Ньютона F=GmТ₁mТ₂/r², где G - гравитационная постоянная, mТ₁mТ₂ - массы притягивающихся тел, а r - расстояние между ними, входит величина mТ. Она характеризует способность тела притягивать к себе другие тела и называется тяготеющей массой. Таким образом, принцип эквивалентности означает, что для любого тела mИ=mТ, то есть масса инертная равна массе тяготеющей.

Исходя из этих предпосылок, Эйнштейн и получил свои уравнения для описания гравитационного поля. Уравнения эти весьма сложны. Они позволяют интерпретировать гравитацию как поле искривления пространства. В пустоте, то есть при отсутствии материальных тел, пространство-время Эйнштейна совпадает с обычным трехмерным евклидовым пространством и подчиняется всем теоремам геометрии Евклида. Но в присутствии материальных тел пространство-время искривляется, причем чем ближе к телу и чем больше его масса, тем искривление больше.

Гравитационное поле точечной массы обладает в теории Эйнштейна так называемой ловушечной поверхностью. Это такая поверхность, охватывающая притягивающие массы, достигнув которой любое тело, обладающее массой, притягивается к центральной массе с такой силой, что неизбежно падает на нее. Радиус r_g такой поверхности называется гравитационным радиусом. Если гравитационный радиус больше геометрических размеров тела, то ни одна материальная частица не может покинуть это тело. Таким образом, если размеры какой-нибудь звезды по тем или иным причинам становятся меньше гравитационного радиуса, ничто, в том числе и излучение, не может покинуть звезду. Такие звезды называются черными дырами.

Теория Эйнштейна дала правильный количественный результат для ряда эффектов, необъяснимых с точки зрения теории Ньютона. Таковы эффект искривления луча света вблизи тяготеющей массы, эффект движения перигелия Меркурия и эффект красного смещения спектральных линий излучения звезд под действием тяготения.

Эйнштейн не считал свою теорию завершенной и искал ее обобщения. Сейчас попытки ее обобщений основаны на поисках единой теории поля. Исходным пунктом этих обобщений является предположение о существовании некоего праполя, порождающего все элементарные частицы и их поля, в том числе и поле тяготения.

Энциклопедический словарь юного астронома, 1980 год