рефераты, курсовые, дипломы >>> астрономия, авиация, космонавтика

 

Гравитационные взаимодействия

 

1. Введение.

Все[АА1] весомые тела взаимно испытывают тяготение, эта сила обуславливает движение планет вокруг солнца и спутников вокруг планет. Теория гравитации - теория созданная Ньютоном, стояла у колыбели современной науки. Другая теория гравитации, разработанная Эйнштейном , является величайшим достижением теоретической физики 20 века. В течении веков развития человечества люди следили явление взаимного притяжения тел и измеряли его величину; они пробовали поставить это явление себе на службу, превзойти его влияние, и наконец, уже в самое последнее время рассчитывать его с чрезвычайной точностью во время первых шагов вглубь Вселенной.

Необозримая сложность окружающих нас тел обусловлена до этого всего таковой многоступенчатой структурой, конечные элементы которой - элементарные частицы - владеют сравнимо небольшим числом видов взаимодействия. Но эти виды взаимодействия резко различаются по собственной силе. Частицы, образующие атомные ядра, соединены меж собой самыми великими из всех узнаваемых нам сил; для того чтоб отделить эти частицы друг от друга , нужно затратить колоссальное количество энергии. Электроны в атоме соединены с ядром электромагнитными силами; довольно сказать им очень скромную энергию ,( как правило довольно энергии химической реакции ) как электроны уже отделяются от ядра. Если говорить об элементарных частицах и атомах, то для них самым слабым взаимодействием является гравитационное взаимодействие.

При сопоставлении с взаимодействием элементарных частиц гравитационные силы так слабы, что это тяжело себе представить. Тем не менее они и лишь они полностью регулируют движение небесных тел. Это происходит потому, что тяготение сочетает в себе две особенности, из-за которых его действие усиливается, когда мы переходим к крупным телам. В отличии от атомного взаимодействия, силы гравитационного притяжения ощутимы и на огромных удаленьях от созидающих их тел. Не считая того гравитационные силы - это постоянно силы притяжения, то есть тела постоянно притягиваются друг к другу.

Развитие теории гравитации вышло в самом начале `становления современной науки на примере взаимодействия небесных тел. Задачку облегчило то , что небесные тела движутся в вакууме мирового пространства без побочного влияния остальных сил. Блестящие астрономы - Галилей и Кеплер - подготовили своими трудами почву для дальнейших открытий в данной области. В дальнейшем великий Ньютон смог придумать целостную теорию и придать ей математическую форму.

2. Ньютон и его предшественники.

посреди всех сил, которые есть в природе, сила тяготения различается до этого всего тем, что проявляется повсюду. Все тела владеют массой , которая определяется как отношение силы , приложенной к телу, к ускорению, которое приобретает под действием данной силы тело. Сила притяжения, работающая меж хоть какими двумя телами, зависит от масс обоих тел; она пропорциональна произведению масс рассматриваемых тел. Не считая того, сила тяготения характеризуется тем, что она подчиняется закону обратной пропорциональности квадрату расстояния ( рис. 1 ). Остальные силы могут зависеть от расстояния совершенно по другому; понятно много таковых сил.

Вели-

чина

силы

притя-

жения

( рис.1 )

Расстояние от источника тяготения

Один аспект глобального тяготения - умопомрачительная двойственная роль, которую играется масса, - послужила краеугольным камнем для построения общей теории относительности. Согласно второму закону Ньютона масса является чертой всякого тела, которая указывает, как будет вести себя тело, когда к нему прикладывается сила, независимо от того, будет ли это сила тяжести либо какая - то другая сила. Так как все тела, по Ньютону, в качестве отклика на внешнюю силу ускоряются ( изменяют свою скорость ), масса тела описывает, какое ускорение испытывает тело, когда к нему приложена заданная сила. Если одна и та же сила прикладывается к велику и кару, каждый из них достигнет определенной скорости в различное время.

Но по отношению к тяготению масса играется еще и другую роль, совершенно не похожую на ту , какую она игралась как отношение силы к ускорению: масса является источником взаимного притяжения тел; если взять два тела и поглядеть, с какой силой они действуют на третье тело, расположенного на одном и том же расстоянии поначалу от одного, а потом от другого тела, мы обнаружим, что отношение этих сил равно отношению первых двух масс. Практически оказывается, что эта сила пропорциональна массе источника. Сходным образом, согласно третьему закону Ньютона, силы притяжения, которые испытывают два разных тела под действием одного и того же источника притяжения ( на одном и том же расстоянии от него ), пропорциональны отношению масс этих тел. В инженерных науках и повседневной жизни про силу, с которой тело притягивается к земле, молвят как о весе тела.

Итак, масса входит в связь, которая существует меж силой и ускорением; с другой стороны, масса описывает величину силы притяжения. Таковая двойственная роль массы приводит к тому, что ускорение разных тел в одном и том же гравитационном поле оказывается одинаковым. Вправду, возьмем два разных тела с массами m и M соответственно. Пусть оба они свободно падают на Землю. Отношение сил притяжения, испытываемых этими телами, равно отношению масс этих тел m/M. Но ускорение, приобретаемое ими, оказывается одинаковым. Таковым образом, ускорение, приобретаемое телами в поле тяготения, оказывается для всех тел в одном и том же поле тяготения одинаковым и совершенно не зависит от конкретных параметров падающих тел. Это ускорение зависит лишь от масс тел, создающих поле тяготения, и от расположения этих тел в пространстве. Двойственная роль массы и вытекающее из нее равенство ускорения всех тел в одном и том же гравитационном поле понятно под заглавием принципа эквивалентности. Это заглавие имеет историческое происхождение, подчеркивающее то событие, что эффекты тяготения и инерции до известной степени эквивалентны.

На поверхности Земли ускорение силы тяжести, грубо говоря, равно 10 м/сек2. Скорость свободно падающего тела, если не учесть сопротивление воздуха при падении, растет на 10 м/сек. Каждую секунду. К примеру, если тело начнет свободно падать из состояния покоя, то к концу третьей секунды его скорость будет равна 30 м/сек. Традиционно ускорение свободного падения обозначается буквой g. Из-за того, что форма Земли не строго совпадает с шаром, величина g на Земле не везде одинакова; она больше у полюсов, чем на экваторе, и меньше на верхушках огромных гор, чем в равнинах. Если величина g определяется с достаточной точностью, то на ней сказывается даже геологическая структура. Этим разъясняется то, что в геологические способы поисков нефти и остальных нужных ископаемых входит также чёткое определение величины g.

То, что в данном месте все тела испытывают однообразное ускорение, - характерная изюминка тяготения; таковыми качествами никакие остальные силы не владеют. И хотя Ньютону не оставалось ничего лучшего, как обрисовать этот факт, он соображал всеобщность и единство ускорения тяготения. На долю германского физика - теоретика Альберта Эйнштейна ( 1870 - 1955 ) выпала честь выяснить принцип, на базе которого можно было объяснить это свойство тяготения, принцип эквивалентности. Эйнштейну также принадлежат базы современного понимания природы пространства и времени.

3. особая теория относительности.

Уже со времен Ньютона числилось, что все системы отсчета представляют собой набор твердых стержней либо каких - - то остальных предметов, позволяющих устанавливать положение тел в пространстве. Естественно, в каждой системе отсчета такие тела выбирались по - своему. Совместно с тем принималось, что у всех наблюдателей одно и то же время. Это предположение казалось интуитивно так естественным, что специально не оговаривалось. В повседневной практике на Земле это предположение подтверждается всем нашим опытом.

Но Эйнштейну удалось показать, что сравнения показаний часов, если воспринимать во внимание их относительное движение, не просит особенного внимания только в том случае, когда относительные скорости часов существенно меньше, чем скорость распространения света в вакууме. Итак, первым результатом анализа Эйнштейна явилось установление относительности одновременности: два действия, происходящие на достаточном удаления друг от друга, могут оказаться для одного наблюдающего одновременными, а для наблюдающего, движущегося относительно него, происходящими в различные моменты времени. Поэтому предположение о едином времени не может быть оправданно: нереально указать определенную функцию, позволяющую хоть какому наблюдающему установить такое универсальное время независимо от того движения, в котором он участвует. В системе отсчета обязаны находиться еще и часы, движущиеся совместно с наблюдателем и синхронизированные с часами наблюдающего.

Следующий шаг, сделанный Эйнштейном, состоял в установлении новейших взаимоотношений результатов измерений расстояний и времени в двух разных инерциальных системах отсчета. Особая теория относительности заместо “абсолютных длин” и “абсолютного времени” явила на свет иную “абсолютную величину”, которую принято именовать инвариантным пространственно - временным интервалом. Для двух заданных событий, происходящих на неком удалении друг от друга, пространственное расстояние меж ними не является абсолютной ( т.Е. Не зависящим от системы отсчета ) величиной даже в Ньютоновской схеме, если меж пришествием этих событий есть некий интервал времени. Вправду, если два действия происходят не сразу, наблюдающий, движущийся с некой системой отсчета в одном направлении и оказавшийся в той точке, где пришло первое событие, может за просвет времени, разделяющий два эти действия, оказаться в том месте, где наступает второе событие; для этого наблюдающего оба действия будут происходить в одном и том же месте пространства, хотя для наблюдающего, движущегося в противоположном направлении, они могут показаться происшедшими на значимом удалении друг от друга.

4. Теория относительности и гравитация.

Чем глубже уходят научные исследования в конечные составляющие вещества и чем меньше остается число частиц и сил, работающих меж ними, тем настойчивее стают требования исчерпывающего понимания деяния и структуры каждой составляющие материи. Конкретно по данной причине, когда Эйнштейн и остальные физики убедились в том, что особая теория относительности пришла на смену ньютоновской физике, они занялись опять базовыми качествами частиц и силовых полей. Более принципиальным объектом, требующим пересмотра, была гравитация.

Но почему бы несоответствие меж относительностью времени и законом тяготения Ньютона не разрешить столь же просто, как в электродинамике? Следовало бы ввести представление о гравитационном поле, которое распространялось бы приблизительно так же, как электрическое и магнитное поля, и которое оказалось бы посредником при гравитационном содействии тел, в согласии с представлениями теории относительности. Это гравитационное взаимодействие сводилось бы к ньютоновскому закону тяготения, когда относительные скорости рассматриваемых тел были бы малы по сравнению со скоростью света. Эйнштейн попытался выстроить релятивистскую теорию тяготения на данной базе, но одно событие не позволило ему выполнить это намерение: никто ничего не знал о распространении гравитационного взаимодействия с большой скоростью, имелась только некая информация относительно эффектов, связанных с большими скоростями движения источников гравитационного поля - масс.

Влияние огромных скоростей на массы непохоже на влияние огромных скоростей на заряды. Если электрический заряд тела остается одним и тем же для всех наблюдателей, масса тел зависит от их скорости относительно наблюдающего. Чем выше скорость, тем больше наблюдаемая масса. Для заданного тела наименьшая масса будет определена наблюдателем, относительно которого тело лежит. Это значение массы именуется массой покоя тела. Для всех других наблюдателей масса окажется больше массы покоя на величину, равную кинетической энергии тела, деленной на c. Значение массы стало бы нескончаемым в той системе отсчета, в которой скорость тела стала бы равной скорости света. О таковой системе отсчета можно говорить только условно. Поскольку величина источника тяготения столь значительно зависит от системы отсчета, в которой определяется её значение, порождаемое массой поле обязано быть более сложным, чем электромагнитное поле. Эйнштейн заключил поэтому, что гравитационное поле, по - видимому, представляет собой так называемое тензорное поле, описываемое огромным числом компонент, чем электромагнитное поле.

В качестве следующего исходного принципа Эйнштейн постулировал, что законы гравитационного поля обязаны получаться на базе математической процедуры, аналогичной процедуре, приводящей к законам электромагнитной теории; законы гравитационного поля, получаемые таковым методом, разумеется, обязаны быть сходны по форме с законами электромагнетизма. Но даже принимая во внимание все эти суждения, Эйнштейн нашел, что он может выстроить несколько разных теорий, которые в равной степени удовлетворяют всем требованиям. Нужна была другая точка зрения, чтоб однозначно придти к релятивистской тории тяготения. Эйнштейн нашел такую новенькую точку зрения в принципе эквивалентности, согласно которому ускорение, приобретаемое телом в поле сил тяготения, не зависит от черт этого тела.

5. Относительность свободного падения.

В специальной теории относительности, как и в ньютоновской физике, постулируется существование инерциальных систем отсчета т.Е. Систем относительно которых тела движутся без ускорения, когда на них не действуют внешние силы. Экспериментальное нахождение таковой системы зависит от того, сможем ли мы поставить пробные тела в такие условия, когда на них не действуют никакие внешние силы, причем обязано быть экспериментальное доказательство отсутствия таковых сил. Но если наличие, к примеру, электрического (либо хоть какого другого силового) поля может быть найдено по различию в действии, которые эти поля оказывают на разные пробные частицы, то все пробные частицы, помещенные в одно и то же поле тяготения, получают одно и то же ускорение.

но даже при наличии гравитационного поля существует некий класс систем отсчета, который может быть

выделен чисто локальными экспериментами. Так как все гравитационные ускорения в данной точке ( малой области ) у всех тел одинаковы как по величине, так и по направлению, все они окажутся равными нулю по отношению к системе отсчета, которая ускоряется совместно с другими физическими объектами, которые находятся под действием лишь силы тяготения. Таковая система отсчета именуется свободно падающая система отсчета. Такую систему нельзя неограниченно продолжить на все пространство и на все моменты времени. Она может быть однозначно определена только в окрестности мировой точки, в ограниченной области пространства и для ограниченного промежутка времени. В этом смысле свободно падающие системы отсчета можно назвать локальными системами отсчета. По отношению свободно падающим системам отсчета материальные тела, на которые не действуют никакие силы, не считая сил тяготения, не испытывают ускорения.

Свободно падающие системы отсчета в отсутствие гравитационных полей тождественны с инерциальными системами отсчета; в этом случае они неограниченно продолжимы. Но такое неограниченное распространение систем становится невозможным, когда возникают гравитационные поля. То, что свободно падающие системы вообще есть хотя бы лишь как локальные системы отсчета, есть прямое следствие принципа эквивалентности, которому подчиняются все гравитационные эффекты. Но тот же самый принцип ответственен за то, что никакими локальными процедурами нереально выстроить инерциальные системы отсчета при наличии гравитационных полей.

Эйнштейн разглядывал принцип эквивалентности как самое базовое свойство тяготения. Он сообразил, что от представления о неограниченно продолжимых инерциальных системах отсчета следует отрешиться пользу локальных свободно падающих систем отсчета; и только поступив таковым образом, можно принять принцип эквивалентности как основную часть фундамента физики. Таковой подход дал возможность физикам глубже заглянуть в природу тяготения. Наличие гравитационных полей оказывается равносильным невозможности распространения в пространстве и времени локальной свободно падающей системы отсчета; таковым образом , при исследовании гравитационных полей следует фокусировать внимание не столько на локальной величине поля, сколько на неоднородности гравитационных полей. Ценность такового подхода, который в конечном счете отрицает универсальность существования инерциальных систем отсчета, состоит в том, что он ясно указывает следующее: нет никаких оснований воспринимать без раздумий возможность построения инерциальных систем отсчета, несмотря на то, что такие системы использовались на протяжении нескольких веков.

6. Тяготение во времени и пространстве.

В теории тяготения Ньютона ускорение тяготения, вызываемое заданной большой массой, пропорционально данной массе и обратно пропорционально квадрату расстояния от данной массы. Тот же самый закон можно сконструировать незначительно по другому, но при этом мы сможем выйти на релятивистский закон тяготения. Эта другая формулировка опирается на представление о гравитационном поле как о чем - то таком, что впечатано в окрестность большой гравитирующей массы. Поле можно полностью обрисовать, задавая в каждой точке пространства вектор, величина и направление которого соответствуют тому гравитационному ускорению. Которое приобретает хоть какое пробное тело, помещенное в эту точку. Можно обрисовать поле тяготения графически, проводя в нем кривые, касательная к которым в каждой точке пространства совпадает с направлением локального поля тяготения (ускорения ); эти кривые проводятся с плотностью ( определенное число кривых на единицу площади поперечного сечения, рис. 2), Равной величине локального поля. Если рассматривается одна крупная масса, такие кривые - их называют силовыми линиями - оказываются прямыми линиями; эти прямые указывают прямо на тело, создающее поле тяготения ( рис. 2А). Рис.2Б соответствует полю созданному двумя массами.

Обратно пропорциональная зависимость от квадрата расстояния выражается графически так: все силовые полосы начинаются на бесконечности и заканчиваются на огромных массах. Если плотность силовых линий равна величине ускорения, число линий, проходящих через сферическую поверхность, центр которой расположен на большой массе, как раз равно плотности силовых линий, умноженной на площадь сферической поверхности радиуса r; площадь сферической поверхности пропорциональна квадрату его радиуса. В общем случае ньютоновский закон обратной зависимости от квадрата расстояния может быть приведен в таковой форме, которая в равной степени пригодна для источника тяготения в виде одной большой массы и для случайного распределения масс: все силовые полосы гравитационного поля начинаются на бесконечности и оканчиваются на самих массах. Полное число силовых линий, оканчивающихся в некой области, содержащей массы, пропорционально полной массе, заключенной в данной области. Не считая того, гравитационное поле - поле консервативное: силовые полосы не могут воспринимать форму замкнутых кривых, а перемещение пробного тела вдоль замкнутой кривой не может привести ни к выигрышу, ни к потере энергии.

В релятивистской теории гравитации роль источников отводится композициям массы и импульса ( импульс выступает связывающим звеном меж состоянием одного и того же объекта в различных четырехмерных либо, лоренцевых, системах отсчета ). Неоднородности релятивистского поля тяготения описываются тензором кривизны. Тензор представляет собой математический объект, полученный обобщением представления о векторах. В обилии, описываемом с помощью координат, тензорам можно сравнить составляющие, полностью определяющие тензор. Релятивистская теория связывает тензор кривизны с тензором, описывающим поведение источников тяготения. Эти тензоры пропорциональны друг другу. Коэффициент пропорциональности определяется из требования: закон тяготения в тензорной форме обязан сводиться к ньютоновскому закону тяготения для слабых гравитационных полей и при малых скоростях тел; этот коэффициент пропорциональности с точностью до глобальных констант равен неизменной тяготения Ньютона. Этим шагом Эйнштейн завершил построение теории тяготения, называемой по другому общей теорией относительности.

7. Заключение.

общественная теория относительности дала возможность несколько по другому взглянуть на вопросы, связанные с гравитационными взаимодействиями. Она включила в себя всю ньютонов скую механику лишь как частный вариант при малых скоростях движения тел. При этом открылась широчайшая область для исследования Вселенной, где силы тяготения играются решающую роль.

ЛИТЕРАТУРА:

П. БЕРГМАН “ ЗАГАДКА ГРАВИТАЦИИ”

ЛОГУНОВ “ РЕЛЯТИВИСТСКАЯ ТЕОРИЯ ГРАВИТАЦИИ”

ВЛАДИМИРОВ “ ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ, ГРАВИТАЦИЯ”

[АА1] [АА1]



 
Еще рефераты и курсовые из раздела
Эволюция и образование вселенной и галактики
Содержание. 1. Введение. _ 3 2. исследование Вселенной. 4 3. Эволюция Вселенной. _ 6 3.1. Адронная эпоха. _ 6 3.2. Лептонная эпоха. 7 3.3. Фотонная...

Основной персонаж Вселенной
фактически все, что мы видем в космосе,- зто звезды, более либо мение похожие на Солнце. Очевидно, существует вещество и вне звезд: планеты, их спутники, кометы и астероиды, межзвездные...

Cоставления планов использования ВС эксплутационного компании, их отход в ремонт на ТО
Содержание работы: - составление годового плана использования и отхода ВС в ремонт - составление месячного плана использования и технического обслуживания ВС. -...

Метеорит
1.Метеоритное вещество и метеориты. Каменные и стальные тела, упавшие на Землю из межпланетного пространства, именуются метеоритами, а наука, их изучающая-метеоритикой. В околоземном...

Эволюция и строение галактики
ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА СОЛНЦА Солнце представляет собой центральное тело нашей планетной системы и ближайшую к нам звезду. Среднее расстояние Солнца от Земли равно 149,6*106...