Розділ 3 гравітація та викривлення простору-часу

3.1 Гравітація та гравітаційна взаємодія

Гравітація - це взаємодія в природі, яка може підпорядкувати собі абсолютно усі тіла, які мають масу. Все ж гравітація існує тільки в космосі, ця назва так само існує в розділі фізики, який вивчає цю дію.

Гравітаційна взаємодія. Це одна з чотирьох найосновніших взаємодій, які існують у нашому світі. Якщо розглядати класичну механіку, то можна описати цю дію законом всесвітнього тяжіння Ньютона, яке говорить на про те, що тяжіння між масами тіла, розділених відстанню це і є гравітація.

Можливість ввести потенціальну енергію тяжіння пари тіл, говорить про те, що поле тяжіння потенційне, ця потенційність вказує нам так само на новий закон збереження суми кінетичної і потенціальної енергії.

Гравітаційна взаємодія, говорить про те, що масивне тіло, як би воно не рухалося, але його енергія залежить тільки від положення тіла в даний момент.

Такі космічні об'єкти, як планети, зірки і галактики самі по собі створюють гравітаційні поля, які залежать від великої маси цих об'єктів, і варто відмітити, що в цьому періоді гравітація являється дуже порівняно слабкою взаємодією.

Гравітація - це унікальна взаємодія, яка має дію не лише на матерію, але і на енергію, також є об'єкти, для яких взагалі непомітний гравітаційний заряд.

Структура галактик, так само і чорних дір, обумовлена процесами, які безпосередньо зв’язані з гравітацією. Ця взаємодія була однією з найперших, які вдалося описати математично. А ось Арістотель вважав, що усі об'єкти падають з різною швидкістю, яка залежить від їх маси, а Галілео Галілей довів, що це абсолютно не так. Загальна теорія відносності з'явилася в 1915 році, її описав Альберт Ейнштейн, саме ця теорія понад усе підходить під опис гравітації.

3.2. Поняття про загальну теорію відносності. Вплив гравітації на простір і час

Спеціальна теорія обмежується розглядом інерціальних систем відліку, що рухаються з постійною швидкістю. Довільні системи відліку, які можуть рухатися з прискоренням, вивчаються загальною теорією відносності. По суті, вона і є теорією гравітації. Широке коло явищ, передбачене спеціальною теорією, пройшло експериментальну перевірку і отримало підтвердження. Експериментальна перевірка загальної теорії просунулася значно менше, до теперішнього часу жоден з тих, що передбачаються нею, ефектів остаточно не підтверджені. Та все ж ця теорія піднімає такі глибокі питання, що безумовно заслуговує на серйозну увагу.

У основі загальної теорії відносності лежать два положення. Перше поширює принцип відносності Ейнштейна на будь-які системи відліку, тобто і на неінерціальні (що рухаються прискорено). Воно свідчить: Усі фізичні закони можна сформулювати так, що вони виявляться справедливими для будь-якого спостерігача, наскільки складний рух він не здійснює. Математичне вираження законів може ускладнитися. Але сенс залишиться без зміни.

Друге положення називається принципом еквівалентності. Гравітація (всесвітнє тяжіння) обумовлює прискорений рух тіл. Земля притягує усі тіла, надає їм однакового прискорення G = 9,8 м/с2. У неінерціальній системі відліку, що рухається поза полем тяжіння з прискоренням G відносно інерціальної, усі тіла теж матимуть прискорення G (відносно інерціальної системи відліку), тобто силу тяжіння можна "створити" або "знищити" переходом в систему відліку, що рухається з прискоренням. Принцип еквівалентності свідчить: Не існує експерименту, за допомогою якого можна було б відрізнити дію гравітаційного поля в порівняно малому об'ємі простору від дії прискореного руху по відношенню до "нерухомих" зірок (інерціальної системі відліку). Принцип еквівалентності вимагає рівності двох мас тіла : інертної і гравітаційної. Прямими наслідками цих положень є викривлення простору-часу в гравітаційному полі. У відсутності гравітації, тобто у інерціальних системах відліку, простір-час однорідний. Геометричні властивості простору описуються геометрією Евкліда. В умовах гравітації простір-час стає неоднорідним і набуває кривизни. Відповідно викривлюються "прямолінійні" траєкторії, промені світла. У такому просторі в принципі не існує прямих ліній. "Найпрямолінійніший" об'єкт – світло - рухається по кривій. Лінії руху світла називаються Світовими. Якщо світові лінії замкнуті - простір "опуклий", якщо параболічні - простір "увігнутий". У будь-якому випадку геометрія цього простору – не Евклідова. Геометрія викривлених просторів була розроблена Больяі, Лобачевским, Риманом і іншими ученими задовго до появи теорії відносності.

Уявити собі безмежний викривлений тривимірний простір з кінцевим радіусом кривизни неможливо. Але можна теоретично довести вірогідність його існування на основі наступної екстраполяції. Розглянемо коло - замкнутий одновимірний простір з певним радіусом кривизни. У такому просторі існує одна світова лінія. Спостерігач, що рухається по ній, ніколи не досягне ніякої межі (границі), рух безмежний, хоча радіус кривизни і розмір простору (довжина кола) кінцеві, при цьому радіальні рухи неможливі. Тепер перейдемо до поверхні сфери певного радіуса. Це вже двовимірний викривлений простір. Світові лінії тут - будь-які кола на поверхні сфери. Їх нескінченна множина, і усі вони замкнуті і теж мають радіуси, що не перевершують максимальний, - радіус кривизни сфери. Спостерігач, здатний рухатися тільки по поверхні, також сприймає цей простір як безмежний, але розмір його - площа поверхні сфери - кінцевий. Аналогічно проявляється тривимірний викривлений простір. Світові лінії в нім - теж кола. Їх нескінченна множина, але радіус кривизни простору і об'єм кінцеві. Радіальні рухи неможливі.

Тому наш простір - Всесвіт для нас безмежний, хоча, можливо, і має кінцевий розмір, що обговорюватиметься нижче. Така модель вимагає визначення величини радіуса кривизни Всесвіту. Як вже вказувалося, експериментальне обґрунтування загальної теорії відносності на сьогодні менш надійне в порівнянні з обґрунтуванням спеціальної теорії відносності. Проте ефект викривлення світлових променів експериментально спостерігався. Слід чекати, що з вдосконаленням експериментальних методик з'явиться можливість отримання інших достовірних даних.