7.4 Гравитационное поле

В рамках представлений о поле можно говорить о гравитационном поле, где сила гравитации меняется непрерывно, или о других полях (например, информационное, поле рыночной экономики, смысловые поля художественных произведений и т.д.), где проявляются пока неизвестные нам силы или субстанции. Применив свои законы динамики к небесной механике, Ньютон установил закон всемирного тяготения

согласно которому сила, действующая между двумя массами и, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними; здесь — гравитационная постоянная. Введем по аналогии с электромагнитным полем вектор напряженности поля тяготения. Тогда закон всемирного тяготения можно понять так: масса создает в пространстве некоторые условия, на которые реагирует массаи в результате испытывает направленную ксилу. Это и есть гравитационное поле, источником которого является масса . Чтобы не записывать каждый раз силу, зависящую от , разделим обе части уравнения, выражающего закон всемирного тяготения, на , считая ее за массу пробного тела, т.е. тела, на которое действует другое тело (при этом считается, что масса пробного тела не вносит возмущений в гравитационное поле). Тогда можем записать

_.

Теперь правая часть полученного уравнения зависит только от расстояния между массами и, но не зависит от массы и определяет гравитационное поле в любой точке пространства, отстоящей от источника гравитациина расстояние безотносительно к тому, имеется ли там масса или нет. Поэтому перепишем это уравнение так, чтобы определяющее значение имела масса источника гравитационного поля, обозначив левую часть через_.

Вектор называетсявектором напряженности гравитационного поля, он дает полное описание этого поля, создаваемого массой в любой точке пространства. Так как величина определяет силу, действующую на единицу массы, то по своему физическому смыслу и размерности она является ускорением. Поэтому сила в уравнении классической динамики аналогична силе, действующей в гравитационном поле:

_.

К гравитационному полю можно также применить понятие силовых линий, где по их густоте (плотности) судят о величинах действующих сил. Силовые гравитационные линии сферической массы есть прямые, направленные к центру сферы массой как источника гравитации, и эта сила уменьшается с удалением от обратно пропорционально квадрату расстояния . Таким образом, в отличие от силовых линий электрического поля, начинающихся на положительном и заканчивающихся на отрицательном заряде, в гравитационном поле нет определенных точек, где бы они начинались, и вместе с тем они простираются до бесконечности.

Несмотря на то что основные законы электродинамики и гравитации, а также методология введения и использования описывающих их параметров похожи, объяснить их сущность на основе общей природы до сих пор не удалось. Хотя начиная от А. Эйнштейна и до последнего времени такие попытки постоянно предпринимаются для того, чтобы создать единую теорию поля. Естественно, что единое представление полей упростило бы наше понимание физического мира и позволило бы описывать их единообразно.

Гравитационные и электрические поля действуют независимо и могут сосуществовать в любой точке пространства одновременно, не влияя друг на друга. Суммарная сила, действующая на частицу с зарядом q и массой т, выражается векторной суммой и, но суммировать векторы и нельзя, поскольку они имеют разную размерность. Введение в классической электродинамике понятия электромагнитного поля с передачей взаимодействия и энергии путем распространения волн в пространстве, лишенное материальных носителей, позволило отойти от механистического представления эфира. В старом представлении понятие эфира как некоей среды, объясняющей передачу контактного действия сил, было опровергнуто экспериментально опытами американского физика А. Майкельсона (1852—1931) по измерению скорости света и главным образом — теорией относительности А. Эйнштейна. С помощью понятия поля оказалось возможным описывать физические взаимодействия, для чего, собственно, и были сформулированы общие для разных видов полей характеристики, которые мы здесь рассматривали. В настоящее время идея эфира возрождается некоторыми учеными на базе понятия физического вакуума.