Четыре основные силы
Из четырех известных основных сил в природе гравитация является самой слабой, поэтому в области атомов и молекул она совершенно незначительна по отношению к электромагнитным и ядерным силам. В космических просторах, где
большие скопления взаимодействующих масс, межзвездный газ, звёзды, галактики, гравитация играет важную роль.
Астрономические открытия пульсаров и квазаров в теории развития звезд ставят теорию гравитации впереди новых проблем, таких как вопрос о постоянстве гравитационной постоянной во времени, механизма гравитационного коллапса, который вызывает энергетическое вырождение звезд. При гравитационном коллапсе силы звёздной гравитации полностью подавляют силы давления излучения, и звезда всё больше сжимается. После того, как сила тяжести поднимется выше некоторой величины, звезда станет невидимой для зрителя (
чёрная дыра), потому что кванты излучения больше не могут покинуть звезду. Чтобы объяснить эти явления, может потребоваться провести квантование (квантовая механика) в теории гравитации. Энергия гравитационного поля была бы квантована и распространялась бы через поле в гравитационных волнах. Квант гравитационного поля называется гравитон.
Фото: physicsworld.com
Современные эксперименты направлены на точное определение искажения пространственно-временного континуума, которое Земля вызывает из-за гравитации, и в соответствии с уточнением, то есть возможным расширением теории гравитации Эйнштейна. Для этого создаются спутники (например, гравитационный зонд B) с высокочувствительными гироскопами, отклонение которых составляет менее 10-11 градусов в час, и подходят для измерения деформации гравитационного поля. Также проводятся эксперименты по взаимодействию электромагнитного и гравитационного полей, затенению гравитации щитами, попыткам регистрации гравитационного излучения и т. д.
Все эти эксперименты дают первоначальные результаты, которых пока недостаточно для более серьёзной теоретической обработки, но они показывают, что существующие теории необходимо будет дополнить. В конце концов, сам
Альберт Эйнштейн, ссылаясь на своё уравнение, в котором гравитация рассматривается в общей теории относительности, сказал, что левая часть уравнения такая же твёрдая, как камень, но правый песок - это то, что ещё не сформировано.
Скорость гравитации
Эффект гравитации мгновенен в теории тяготения Ньютона. Однако в специальной теории относительности понятие одновременности теряет смысл, и невозможно посылать информацию быстрее, чем свет, потому что это приведет к парадоксу, поэтому, согласно общей теории относительности, влияние пространства увеличивается со скоростью света.
Было экспериментально подтверждено, что скорость гравитации была равна скорости света в пределах экспериментальной ошибки 1%.
Гравитационное поле
Гравитационное поле - это потенциальное векторное поле, которое для каждой точки определяется как сила тяжести на точечном теле в этой точке, делённая на массу этого тела. Гравитационное поле массой m 1 определяется как:
Эта величина говорит вам, какая сила на единицу гравитационного поля притягивает тело в некоторой точке пространства, определенной радиус-вектором r . Единицей измерения является ньютон на килограмм (Н/кг), и легко можно показать, что ньютон на килограмм равен квадрату метра на секунду (м/с2 ), что является единицей измерения ускорения. Ускорение силы тяжести Земли составляет в среднем 9,80665 м/с2 на поверхности Земли. Следовательно, сила гравитационного поля в некоторой точке пространства равна гравитационному ускорению в этой точке. Это связано с тем, что тяжелые и вялые массы линейно пропорциональны. Этот факт называется принципом эквивалентности.
Гравитация и квантовая механика
Спустя несколько десятилетий после публикации общей теории относительности ученые пришли к выводу, что она несовместима с квантовой механикой. В квантовой теории поле гравитации описывается как следствие обмена виртуальными гравитонами, так же, как электромагнитная сила, создаваемая обменом виртуальных фотонов. Этот подход ещё не объяснил гравитационные силы на расстояниях, меньших, чем длина Планка.
До сих пор не достигнутая цель современной науки состоит в разработке всеобъемлющей теории квантовой гравитации.
Аномалии и разногласия
Есть некоторые наблюдения, которые не были должным образом объяснены, что может указывать на необходимость более совершенных теорий или, возможно, других подходов к объяснению.
Кривая вращения типичной спиральной галактики: предсказанная (A) и наблюдаемая (B). Расхождение между этими кривыми связано с тёмной материей.
Фото: www.pngkit.com
Быстрые звезды: звезды в галактиках следуют за распределением скорости, причем звёзды на периферии движутся быстрее, чем если бы они следовали наблюдаемому распределению нормального вещества. Галактики внутри галактических скоплений демонстрируют ту же картину. Тёмная материя, которая будет формировать гравитационные взаимодействия, но не электромагнитные, могла бы объяснить это несоответствие. Также были предложены различные модификации динамики Ньютона.
Аномалия пролета: различные космические корабли испытали большее ускорение, чем ожидалось во время маневров с гравитацией.
Ускоренное расширение: есть признаки того, что расширение метрики пространства ускоряется. Существование тёмной энергии было предложено в качестве возможного объяснения. Недавно было дано альтернативное объяснение, что геометрия пространства не является однородной (из-за существования скопления галактик), и, когда данные интерпретируются с учётом этого фактора, не представляется, что расширение ускоряется. Однако, этот вывод оспаривается.
Аномальное увеличение астрономической единицы. Недавние измерения показывают, что орбиты планет расширяются быстрее, чем тогда, когда единственной причиной этого будет потеря солнечной массы из-за излучения энергии.
Фото: nbcnews.com
Фотоны с избыточной энергией: фотоны, проходящие через галактические скопления, должны получать энергию при входе, а затем терять её при выходе. Ускоренное расширение Вселенной должно предотвратить полное восстановление энергии фотонов. Однако даже с учетом этого фотоны от космического микроволнового фонового излучения приобретают вдвое больше энергии, чем ожидалось. Это может указывать на то, что гравитация снижается медленнее, чем обратный квадрат в определенных масштабах расстояния.
Чрезмерно массивные водородные облака. Спектральные линии леса Лайман-альфа предполагают, что водородные облака более сконцентрированы на отдельных масштабах, чем можно было бы ожидать, и это, подобно тёмному потоку, является возможным признаком более медленного снижения гравитации, чем обратные квадраты на определенных масштабах расстояний.
Дополнительные факты
Гравитационное поле каждой частицы расширяется до бесконечности, но его сила уменьшается с квадратом расстояния.
Определение напряженности гравитационного поля можно получить математически другим способом, включив единичную массу во второй закон Ньютона.
Если тело меняет своё положение в пространстве, сила его гравитационного поля в произвольной точке пространства будет изменяться в соответствии с этим сдвигом только по истечении времени, которое требуется для того, чтобы свет пришел из тела в эту точку.