A gravitáció ( vonzás , univerzális gravitáció , gravitáció ) (a lat. gravitas - „gravitáció”) egy univerzális alapvető kölcsönhatás a tömeggel rendelkező anyagi testek között . A fénysebességhez és a gyenge gravitációs kölcsönhatáshoz viszonyított kis sebességek közelítését Newton gravitációs elmélete írja le , általános esetben Einstein általános relativitáselmélete írja le . A kvantumhatárban a gravitációs kölcsönhatást állítólag a gravitáció kvantumelmélete írja le , amelyet még nem fejlesztettek ki.
A gravitáció rendkívül fontos szerepet játszik az Univerzum szerkezetében és evolúciójában (kapcsolatot teremt az Univerzum sűrűsége és tágulási sebessége között) [1] , meghatározza a csillagászati rendszerek egyensúlyának és stabilitásának kulcsfontosságú feltételeit [2] . Gravitáció nélkül nem lennének bolygók, csillagok, galaxisok, fekete lyukak az Univerzumban [3] . A gravitációs összehúzódás a fő energiaforrás a csillagfejlődés későbbi szakaszaiban (fehér törpék, neutroncsillagok, fekete lyukak). [négy]
Az általános relativitáselmélet szerint a gravitációs kölcsönhatás invariáns C-szimmetria , P-szimmetria és T-szimmetria esetén [5]
A klasszikus mechanika keretein belül a gravitációs vonzást Newton univerzális gravitációs törvénye írja le , amely kimondja, hogy a gravitációs vonzás két anyagi tömegpont és távolság között arányos mindkét tömeggel és fordítottan arányos a tömeg négyzetével. távolság:
Itt van a gravitációs állandó , ami körülbelül 6,67⋅10 −11 m³/(kg s²) [6] [7] . Ez a törvény teljesül a fénysebességhez és a gyenge gravitációs kölcsönhatáshoz viszonyított kis sebességeknél történő közelítésben (ha a vizsgált objektum esetében, amely a tömegtesttől távol van , akkor a [8] érték ). A gravitációt általában Einstein általános relativitáselmélete írja le .
Az univerzális gravitáció törvénye az inverz négyzettörvény egyik alkalmazása, amely a sugárzás (például a fénynyomás ) tanulmányozásában is előfordul, és egyenes következménye a sugárzás területének kvadratikus növekedésének. növekvő sugarú gömb , ami bármely egységnyi terület hozzájárulásának négyzetes csökkenéséhez vezet a teljes gömb területéhez.
A gravitációs tér , valamint a gravitációs mező potenciálisan . Ez azt jelenti, hogy a vonzóerő munkája nem a pálya típusától, hanem csak a kezdő- és végponttól függ . Ekvivalens: be lehet vezetni egy testpár gravitációs vonzásának potenciális energiáját , és ez az energia a testek zárt körvonal mentén történő mozgatása után nem változik. A gravitációs tér potenciálja magával vonja a kinetikus és potenciális energia összegének megmaradásának törvényét, és a testek gravitációs térben történő mozgásának vizsgálatakor gyakran nagyban leegyszerűsíti a megoldást. A newtoni mechanika keretein belül a gravitációs kölcsönhatás nagy hatótávolságú . Ez azt jelenti, hogy akárhogyan is mozog egy hatalmas test, a tér bármely pontján a gravitációs potenciál csak a test adott időpontban elfoglalt helyzetétől függ.
A nagy űrobjektumok - bolygók, csillagok és galaxisok - hatalmas tömeggel rendelkeznek, és ezért jelentős gravitációs mezőket hoznak létre.
A gravitáció a leggyengébb erő. Mivel azonban minden távolságra hat, és minden tömeg pozitív, ennek ellenére nagyon fontos tevékenység az univerzumban. Különösen kicsi a kozmikus léptékű testek közötti elektromágneses kölcsönhatás, mivel ezeknek a testeknek a teljes elektromos töltése nulla (az anyag egésze elektromosan semleges).
Ezenkívül a gravitáció, más kölcsönhatásoktól eltérően, univerzális hatást gyakorol minden anyagra és energiára. Nem találtak olyan objektumot, amelynek egyáltalán nem lenne gravitációs kölcsönhatása.
Globális jellegéből adódóan a gravitáció felelős olyan nagy léptékű hatásokért, mint a galaxisok szerkezete, a fekete lyukak és az Univerzum tágulása, valamint az elemi csillagászati jelenségekért - a bolygók keringése, valamint a Föld felszínéhez való egyszerű vonzás, ill. zuhanó testek.
A gravitáció volt az első matematikai elmélet által leírt kölcsönhatás. Arisztotelész (Kr. e. 4. század) úgy vélte, hogy a különböző tömegű tárgyak különböző sebességgel esnek. És csak jóval később (1589) Galileo Galilei kísérletileg megállapította, hogy ez nem így van - ha megszűnik a légellenállás, minden test egyformán gyorsul. Isaac Newton gravitációs törvénye (1687) jól leírta a gravitáció általános viselkedését. 1915-ben Albert Einstein megalkotta az általános relativitáselméletet , pontosabban leírva a gravitációt a téridő geometria szempontjából.
A mechanikának azt az ágát , amely a testek mozgását az üres térben csak a gravitáció hatására vizsgálja, égi mechanikának nevezzük .
Az égi mechanika legegyszerűbb feladata két pont vagy gömb alakú test gravitációs kölcsönhatása üres térben. Ezt a problémát a klasszikus mechanika keretein belül analitikusan, zárt formában oldják meg; megoldásának eredményét gyakran Kepler három törvénye formájában fogalmazzák meg .
A kölcsönható testek számának növekedésével a probléma sokkal bonyolultabbá válik. Tehát a már híres háromtest-probléma (vagyis három nem nulla tömegű test mozgása) általános formában nem oldható meg analitikusan. A numerikus megoldásnál azonban a megoldások instabilitása a kezdeti feltételekhez képest meglehetősen gyorsan beáll. A Naprendszerre vonatkoztatva ez az instabilitás lehetetlenné teszi a bolygók százmillió évnél nagyobb léptékű mozgásának pontos előrejelzését.
Egyes speciális esetekben közelítő megoldást találhatunk. A legfontosabb az az eset, amikor egy test tömege lényegesen nagyobb, mint a többi test tömege (például a Naprendszer és a Szaturnusz gyűrűinek dinamikája ). Ebben az esetben az első közelítésben azt feltételezhetjük, hogy a fénytestek nem lépnek kölcsönhatásba egymással, és Kepleri pályákon mozognak egy hatalmas test körül. A köztük lévő kölcsönhatások a perturbációelmélet keretében figyelembe vehetőek és időbeli átlagolhatók. Ebben az esetben nem triviális jelenségek léphetnek fel, mint például rezonanciák , attraktorok , véletlenszerűségek , stb. Jó példa ezekre a jelenségekre a Szaturnusz gyűrűinek összetett szerkezete.
Annak ellenére, hogy megpróbálták pontosan leírni egy nagyszámú, megközelítőleg azonos tömegű vonzó testből álló rendszer viselkedését, ez a dinamikus káosz jelensége miatt nem valósítható meg .
Erős gravitációs mezőben (valamint relativisztikus sebességű gravitációs térben mozogva ) kezdenek megjelenni az általános relativitáselmélet (GR) hatásai :
Az általános relativitáselmélet egyik fontos előrejelzése a gravitációs sugárzás , amelynek jelenlétét 2015-ben közvetlen megfigyelések is megerősítették [9] . Azonban még korábban is komoly közvetett bizonyítékok szóltak a létezéséről, nevezetesen: energiaveszteség kompakt gravitációs objektumokat (például neutroncsillagokat vagy fekete lyukakat ) tartalmazó közeli bináris rendszerekben, amelyeket 1979-ben fedeztek fel a híres PSR B1913 + rendszerben. 16 (Hulse-Taylor pulzár) jól illeszkednek az általános relativitáselmélet modelljéhez, amelyben ezt az energiát pontosan a gravitációs sugárzás viszi el [10] .
Gravitációs sugárzást csak változó kvadrupólusú vagy nagyobb többpólusú nyomatékú rendszerek képesek előállítani , ez a tény arra utal, hogy a legtöbb természetes forrás gravitációs sugárzása irányított, ami nagymértékben megnehezíti annak észlelését. A gravitációs térforrás teljesítménye arányos azzal, ha a multipólus elektromos, és ha a multipólus mágneses típusú [11] , akkor hol van a sugárzó rendszerben lévő források jellemző sebessége, és a sebesség fény vákuumban. Így a domináns momentum az elektromos típusú kvadrupólmomentum lesz, és a megfelelő sugárzás teljesítménye egyenlő:
ahol a sugárzó rendszer tömegeloszlása kvadrupolmomentumának tenzora . Az állandó (1/W) lehetővé teszi a sugárzási teljesítmény nagyságrendjének becslését.
1969-től kezdődően ( Weber kísérletei ) gravitációs sugárzás detektorokat építenek. Az USA-ban, Európában és Japánban jelenleg több aktív földi detektor ( LIGO , VIRGO , TAMA , GEO 600 ), valamint a LISA (Laser Interferometer Space Antenna ) űrgravitációs detektor projekt is működik. Egy földi detektort Oroszországban fejlesztenek a Tatár Köztársaság Gravitációs Hullám Kutatási Tudományos Központjában, a „ Dulkyn ” [12] -ben .
A gravitációs vonzás és az idődilatáció klasszikus hatásai mellett az általános relativitáselmélet a gravitáció egyéb megnyilvánulásainak létezését is előrevetíti, amelyek szárazföldi körülmények között nagyon gyengék, ezért kimutatásuk és kísérleti igazolásuk igen nehézkes. Egészen a közelmúltig úgy tűnt, hogy e nehézségek leküzdése meghaladja a kísérletezők képességeit.
Közülük különösen megemlíthető az inerciális vonatkoztatási rendszerek (vagy a Lense-Thirring-effektus) és a gravitomágneses tér elragadása . 2005- ben a NASA Gravity Probe B egy példátlan pontosságú kísérletet végzett, hogy megmérje ezeket a hatásokat a Föld közelében. A kapott adatok feldolgozása 2011 májusáig megtörtént, és megerősítette a geodéziai precesszió és az inerciális vonatkoztatási rendszerek ellenállásának hatásának fennállását és nagyságát, bár az eredetileg feltételezettnél valamivel kisebb pontossággal.
A mérési zaj elemzésével és kivonásával kapcsolatos intenzív munka után a küldetés végeredményét a NASA-TV sajtótájékoztatóján 2011. május 4- én jelentették be, és a Physical Review Letters -ben [13] tették közzé . A geodéziai precesszió mért értéke –6601,8±18,3 ms /év, a légellenállási hatás pedig –37,2±7,2 ms / év (hasonlítsa össze a –6606,1 mas /év és –39 ,2 ms/év elméleti értékekkel ) .
Tekintettel arra, hogy a gravitáció kvantumhatásai a legszélsőségesebb és legmegfigyelhetőbb körülmények között is rendkívül kicsik, még mindig nincsenek megbízható megfigyelések róluk. Az elméleti becslések azt mutatják, hogy az esetek túlnyomó többségében a gravitációs kölcsönhatás klasszikus leírására szorítkozhatunk.
Létezik egy modern kanonikus [14] klasszikus gravitációelmélet – az általános relativitáselmélet , valamint számos hipotézis és elmélet, amelyek különböző fejlettségi fokokkal finomítják, egymással versengve. Mindezek az elméletek nagyon hasonló előrejelzéseket adnak azon a közelítésen belül, amelyben a kísérleti teszteket jelenleg végzik. Az alábbiakban a gravitáció főbb, legjobban kidolgozott vagy ismert elméleteit mutatjuk be.
Az általános relativitáselmélet (GR) standard megközelítésében a gravitációt kezdetben nem erőkölcsönhatásnak, hanem a téridő görbületének megnyilvánulásának tekintik. Így az általános relativitáselméletben a gravitációt geometriai hatásként értelmezik, a téridőt pedig a nem euklideszi Riemann (pontosabban pszeudo-riemann) geometria keretei között . A gravitációs mezőt (a newtoni gravitációs potenciál általánosítása), amelyet néha gravitációs mezőnek is neveznek, az általános relativitáselméletben a tenzormetrikus mezővel - a négydimenziós téridő metrikájával , a gravitációs tér intenzitásával - azonosítják. a metrika által meghatározott téridő affin kapcsolata .
Az általános relativitáselmélet standard feladata, hogy a vizsgált négydimenziós koordinátarendszerben az energia-impulzus források ismert eloszlásából meghatározza a metrikus tenzor azon összetevőit, amelyek együttesen határozzák meg a téridő geometriai tulajdonságait . A metrika ismerete viszont lehetővé teszi a tesztrészecskék mozgásának kiszámítását, ami egyenértékű a gravitációs tér tulajdonságainak ismeretével egy adott rendszerben. A GR-egyenletek tenzor jellegével, valamint megfogalmazásának standard alapvető indoklásával kapcsolatban úgy vélik, hogy a gravitációnak is van tenzor jellege. Ennek egyik következménye az, hogy a gravitációs sugárzásnak legalább kvadrupól nagyságúnak kell lennie.
Ismeretes, hogy az általános relativitáselméletben nehézségek adódnak a gravitációs mező energiájának változatlansága miatt, mivel ezt az energiát nem tenzor írja le, és elméletileg többféleképpen határozható meg. A klasszikus általános relativitáselméletben a spin-pálya kölcsönhatás leírásának problémája is felmerül (hiszen egy kiterjesztett objektum spinje sem rendelkezik egyedi definícióval). Úgy gondolják, hogy vannak bizonyos problémák az eredmények egyediségével és a konzisztencia igazolásával (a gravitációs szingularitások problémája ).
A kísérleti általános relativitáselméletet azonban egészen a közelmúltig megerősítették ( 2012 ). Ezen túlmenően a gravitációelmélet megfogalmazásának számos, az einsteini alternatíva, de a modern fizikában szabványos megközelítés olyan eredményhez vezet, amely egybeesik az általános relativitáselmélettel az alacsony energiájú közelítésben, amely jelenleg az egyetlen elérhető kísérleti igazolásra.
Az Einstein-Cartan (EC) elméletet az általános relativitáselmélet kiterjesztéseként fejlesztették ki, amely magában foglalja a téridőre gyakorolt hatás leírását, az energia-impulzus mellett a tárgyak forgását is [15] . Az EC elméletben bevezetik az affin torziót , és a téridő pszeudo-Riemann geometriája helyett a Riemann-Cartan geometriát használják . Ennek eredményeként a metrikus elméletből a téridő affin elméletébe kerülnek. Az így kapott téridő leírására szolgáló egyenletek két osztályba sorolhatók: az egyik az általános relativitáselmélethez hasonlít, azzal a különbséggel, hogy a görbületi tenzor affin torziós komponenseket tartalmaz; az egyenletek második osztálya az anyag és a sugárzás torziós tenzora és spintenzora közötti kapcsolatot határozza meg.
Az általános relativitáselmélet ebből eredő korrekciói a modern univerzum körülményei között olyan kicsik, hogy még hipotetikus mérési módok sem láthatók még.
A skalár-tenzor elméletekben, amelyek közül a leghíresebb a Brans-Dicke (vagy Jordan-Brans-Dicke) elmélet, a gravitációs teret, mint effektív tér-idő mérőszámot nem csak az energia-impulzus tenzor hatása határozza meg. anyag, mint az általános relativitáselméletben, hanem egy további gravitációs skalármező is. Az anyag összehajtott energia-impulzus tenzorát tekintjük a skalármező forrásának. Ezért a skalár-tenzorelméletek, mint például a GR és az RTG (Relativisztikus Gravitációs Elmélet) metrikus elméletek, amelyek a gravitációt csak a tér-idő geometria és annak metrikus tulajdonságai alapján magyarázzák. A skaláris tér jelenléte két egyenletcsoporthoz vezet a gravitációs térkomponensekhez: az egyik a metrikához, a másik a skalármezőhöz. A Brans-Dicke elmélet a skalármező jelenléte miatt úgy is tekinthető, mint amely egy téridőből és egy skalármezőből álló ötdimenziós sokaságban működik [16] .
Az egyenletek hasonló két osztályra osztása történik az RTG-ben is, ahol a második tenzoregyenletet vezetik be, hogy figyelembe vegyék a nemeuklideszi tér és a Minkowski-tér közötti kapcsolatot [17] . A Jordan-Brance-Dicke elméletben a dimenzió nélküli paraméter jelenléte miatt lehetővé válik, hogy úgy válasszuk ki, hogy az elmélet eredményei egybeesjenek a gravitációs kísérletek eredményeivel. Ugyanakkor, mivel a paraméter a végtelenbe hajlik, az elmélet előrejelzései egyre közelebb kerülnek az általános relativitáselmélethez, így a Jordan-Brance-Dicke elméletet lehetetlen bármilyen, az általános relativitáselméletet megerősítő kísérlettel megcáfolni.
A több mint fél évszázados próbálkozások ellenére a gravitáció az egyetlen olyan alapvető kölcsönhatás, amelyre még nem építettek fel általánosan elfogadott következetes kvantumelméletet . Alacsony energiáknál a kvantumtérelmélet szellemében a gravitációs kölcsönhatás a gravitonok - 2-es spinű bozonok cseréjeként ábrázolható. Az így kapott elmélet azonban nem renormalizálható , ezért nem tekinthető kielégítőnek.
Az elmúlt évtizedekben számos ígéretes megközelítést dolgoztak ki a gravitáció kvantálási problémájának megoldására: a húrelmélet , a hurokkvantumgravitáció és mások.
HúrelméletEbben a részecskék és a háttértér-idő helyett húrok és többdimenziós megfelelőik, a bránok jelennek meg . A nagydimenziós problémáknál a bránok nagydimenziós részecskék, de az ezekben a bránokban mozgó részecskék szempontjából tér-idő struktúrák. A húrelmélet egyik változata az M-elmélet .
Hurok kvantumgravitációKvantumtérelméletet próbál megfogalmazni a tér-idő háttérre való hivatkozás nélkül, a tér és az idő ezen elmélet szerint diszkrét részekből áll. Ezek a tér kis kvantumcellái bizonyos módon kapcsolódnak egymáshoz, így kis idő- és hosszléptékben színes, diszkrét térszerkezetet hoznak létre, nagy léptékben pedig simán alakulnak át folyamatos sima téridővé. Bár sok kozmológiai modell csak az ősrobbanás utáni Planck -kortól képes leírni az univerzum viselkedését, a hurokkvantumgravitáció magát a robbanási folyamatot is leírhatja, sőt még korábban is. A hurokkvantumgravitáció lehetővé teszi az összes szabványos modellrészecske leírását anélkül, hogy szükség lenne a Higgs-bozon bevezetésére a tömegük magyarázatához .
Oksági dinamikus háromszögelésKauzális dinamikus háromszögelés - a benne lévő tér-idő sokaság Planck - rend méretű elemi euklideszi egyszerűségekből ( háromszög , tetraéder , pentachore ) épül fel , figyelembe véve az okság elvét . A négydimenziósság és a makroszkopikus léptékű pszeudoeuklideszi téridő nem posztulált benne, hanem az elmélet következménye.
A mikrokozmoszban a gravitáció az elemi részecskék alacsony energiái mellett sok nagyságrenddel gyengébb, mint más alapvető kölcsönhatások. Így két proton nyugalmi gravitációs kölcsönhatásának erejének az elektrosztatikus kölcsönhatás erejéhez viszonyított aránya egyenlő .
Az egyetemes gravitáció és a Coulomb-törvény összehasonlításához a mennyiséget gravitációs töltésnek nevezzük. A tömeg és az energia egyenértékűségének elve alapján a gravitációs töltés egyenlő . A gravitációs kölcsönhatás erőssége akkor lesz egyenlő az elektromágnesessel, ha a gravitációs töltés megegyezik az elektromos töltéssel , vagyis olyan GeV energiákon , amelyek az elemi részecskegyorsítókon még elérhetetlenek. [18] [19]
Feltételezzük, hogy a gravitációs kölcsönhatás az ősrobbanást követő első másodpercekben ugyanolyan erős volt, mint a többi kölcsönhatás [20] .
Szótárak és enciklopédiák |
| |||
---|---|---|---|---|
|
A gravitáció elméletei | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Alapvető kölcsönhatások | |
---|---|