Учебная работа. Реферат: Гравитационные взаимодействия

Учебная работа. Реферат: Гравитационные взаимодействия

1. Введение.

Все
[АА1]


значимые тела взаимно испытывают тяготение, эта сила обуславливает движение планет вокруг солнца и спутников вокруг планет. Теория гравитации — теория сделанная Ньютоном, стояла у колыбели современной науки. Иная теория гравитации, разработанная Эйнштейном , является величайшим достижением теоретической физики 20 века. В течении веков развития населения земли люди следили явление обоюдного притяжения тел и определяли его величину; они пробовали поставить это явление для себя на службу, затмить его воздействие, и в конце концов, уже в самое крайнее время рассчитывать его с чрезвычайной точностью во время первых шагов вглубь Вселенной.

Неоглядная сложность окружающих нас тел обоснована до этого всего таковой многоступенчатой структурой, конечные элементы которой — простые частички — владеют сравнимо маленьким числом видов взаимодействия. Но эти виды взаимодействия резко различаются по собственной силе. Частички, образующие атомные ядра, соединены меж собой самыми великими из всех узнаваемых нам сил; для того чтоб отделить эти частички друг от друга , нужно затратить грандиозное количество энергии. Электроны в атоме соединены с ядром электромагнитными силами; довольно сказать им очень умеренную энергию ,( как правило довольно энергии хим реакции ) как электроны уже отделяются от ядра. Если гласить о простых частичках и атомах, то для их самым слабеньким взаимодействием является гравитационное взаимодействие.

При сравнении с взаимодействием простых частиц гравитационные силы так слабы, что это тяжело для себя представить. Тем не наименее они и лишь они на сто процентов регулируют движение небесных тел. Это происходит поэтому, что тяготение соединяет внутри себя две индивидуальности, из-за которых его действие усиливается, когда мы перебегаем к большим телам. В отличии от атомного взаимодействия, силы гравитационного притяжения осязаемы и на огромных удаленьях от созидающих их тел. Не считая того гравитационные силы — это постоянно силы притяжения, другими словами 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 места без побочного воздействия остальных сил. Блестящие астрологи — Галилей и Кеплер — подготовили своими трудами почву для последующих открытий в данной области. В предстоящем величавый 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 всюду. Все тела владеют массой , которая определяется как отношение силы , приложенной к телу, к убыстрению, которое приобретает под действием данной силы тело. Сила притяжения, работающая меж хоть какими 2-мя телами, зависит от масс обоих тел; она пропорциональна произведению масс рассматриваемых тел. Не считая того, сила тяготения характеризуется тем, что она подчиняется закону оборотной пропорциональности квадрату расстояния ( рис. 1 ). Остальные силы могут зависеть от расстояния совершенно по другому; понятно много таковых сил.

один нюанс глобального тяготения — умопомрачительная двоякая роль, которую играет 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 иная сила. Потому что все тела, по Ньютону, в качестве отклика на внешнюю силу ускоряются ( изменяют свою скорость ), масса тела описывает, какое убыстрение испытывает тело, когда к нему приложена данная сила. Если одна и та же сила прикладывается к велику и кару, любой из их достигнет определенной скорости в различное время.

Но по отношению к тяготению масса играет к тому же другую роль, совершенно не похожую на ту , какую она игралась как отношение силы к убыстрению: масса является источником обоюдного притяжения тел; если взять два тела и поглядеть, с какой силой они действуют на третье тело, размещенного на одном и том же расстоянии поначалу от 1-го, а потом от другого тела, мы найдем, что отношение этих сил равно отношению первых 2-ух масс. Практически оказывается, что эта сила пропорциональна массе источника. Схожим образом, согласно третьему закону Ньютона, силы притяжения, которые испытывают два разных тела под действием 1-го и такого же источника притяжения ( на одном и том же расстоянии от него ), пропорциональны отношению масс этих тел. В инженерных науках и ежедневной жизни про силу, с которой тело притягивается к земле, молвят как о весе
тела.

Итак, масса заходит в связь, которая существует меж силой и убыстрением; с иной стороны, масса описывает величину силы притяжения. Таковая двоякая роль массы приводит к тому, что убыстрение разных тел в одном и том же гравитационном поле оказывается схожим. 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 убыстрение, приобретаемое ими, оказывается схожим. Таковым образом, убыстрение, приобретаемое телами в поле тяготения, оказывается для всех тел в одном и том же поле тяготения схожим и совершенно не зависит от определенных параметров падающих тел. Это убыстрение зависит лишь от масс тел, создающих поле тяготения, и от расположения этих тел в пространстве. Двоякая роль массы и вытекающее из нее равенство убыстрения 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 убыстрение 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. Обычно убыстрение вольного падения обозначается буковкой g. Из-за того, что форма Земли не строго совпадает с шаром, величина g на Земле не всюду схожа; 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. Сиим разъясняется то, что в геологические способы поисков нефти и остальных нужных ископаемых заходит также четкое определение величины g.

То, что в данном месте все тела испытывают однообразное убыстрение, — соответствующая изюминка тяготения; таковыми качествами никакие остальные силы не владеют. И хотя Ньютону не оставалось ничего наилучшего, как обрисовать данный факт, он осознавал всеобщность и единство убыстрения тяготения. На долю германского физика — теоретика Альберта Эйнштейна ( 1870 — 1955 ) выпала честь узнать принцип, на базе которого можно было разъяснить это свойство тяготения, принцип эквивалентности. Эйнштейну также принадлежат базы современного осознания природы места 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 — собственному. Совместно с тем принималось, что у всех наблюдателей одно и то же время. Это предположение чудилось интуитивно так естественным, что специально не оговаривалось. В ежедневной практике на Земле это предположение подтверждается всем нашим опытом.

Но Эйнштейну удалось показать, что сопоставления показаний часов, если принимать 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 1-го наблюдающего одновременными, а для наблюдающего, передвигающегося относительно него, происходящими в различные моменты времени. Потому предположение о едином времени не быть может оправданно: нереально указать определенную функцию, позволяющую хоть какому наблюдающему установить такое всепригодное время независимо от того движения, в каком он участвует. В системе отсчета должны находиться к тому же часы, передвигающиеся вкупе с наблюдателем и синхронизированные с часами наблюдающего.

Последующий шаг, изготовленный Эйнштейном, состоял в установлении новейших отношений результатов измерений расстояний и времени в 2-ух 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 2-ух данных 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, передвигающийся с некой системой отсчета в одном направлении и оказавшийся в той точке, где пришло 1-ое событие, может за просвет времени, разделяющий два эти действия, оказаться в том месте, где наступает 2-ое событие; для этого наблюдающего оба действия будут происходить в одном и том же месте места, хотя для наблюдающего, передвигающегося в обратном направлении, они могут показаться происшедшими на значимом удалении друг от друга.

4. Теория относительности и гравитация.

Чем поглубже уходят исследования в конечные составляющие вещества и чем меньше остается число частиц и сил, работающих меж ними, тем настойчивее стают требования исчерпающего осознания деяния и структуры каждой составляющие материи. Конкретно по данной причине, когда Эйнштейн и остальные физики удостоверились в том, что особая теория относительности пришла на замену 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 настолько же просто, как в электродинамике? Следовало бы ввести закону тяготения, когда относительные скорости рассматриваемых тел могли быть малы по сопоставлению со скоростью света. Эйнштейн попробовал 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 большенный скоростью, имелась только некая информация относительно эффектов, связанных с большенными скоростями движения источников гравитационного поля — масс.

Воздействие огромных скоростей на массы непохоже на воздействие огромных скоростей на заряды. Если электронный заряд тела остается одним и этим же для всех наблюдателей, масса тел зависит от их скорости относительно наблюдающего. Чем выше скорость, тем больше наблюдаемая масса. Для данного тела меньшая 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 сделалось бы нескончаемым в той системе отсчета, в какой скорость тела стала бы равной скорости света. О таковой системе отсчета можно гласить только условно. Так как величина источника тяготения настолько значительно зависит от системы отсчета, в какой определяется ее значение, порождаемое массой поле обязано быть наиболее сложным, чем электромагнитное поле. Эйнштейн заключил потому, что гравитационное поле, по — видимому, представляет собой так называемое тензорное
поле, описываемое огромным числом компонент, чем электромагнитное поле.

В качестве последующего начального принципа Эйнштейн постулировал, что законы гравитационного поля должны получаться на базе математической процедуры, аналогичной процедуре, приводящей к законам электромагнитной теории; законы гравитационного поля, получаемые таковым методом, разумеется, должны 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 одинаковой мере удовлетворяют всем требованиям. Нужна была другая точка зрения, чтоб совершенно точно придти к релятивистской тории тяготения. Эйнштейн отыскал такую новейшую точку зрения в принципе эквивалентности, согласно которому убыстрение, приобретаемое телом в поле сил тяготения, не зависит от черт этого тела.

5. Относительность вольного падения.

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

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

выделен чисто локальными тестами. Потому что все гравитационные убыстрения в данной точке ( малой области ) у всех тел схожи как по величине, так и по направлению, они все окажутся равными нулю по отношению к системе отсчета, которая ускоряется вкупе с иными физическими объектами, которые находятся под действием лишь силы тяготения. Таковая система отсчета именуется свободно падающая система отсчета.
Такую систему недозволено неограниченно продолжить на все место и на все моменты времени. Она быть может совершенно точно определена только в округи мировой точки, в ограниченной области места и для ограниченного промежутка времени. В этом смысле свободно падающие системы отсчета можно именовать локальными системами отсчета
. По отношению свободно падающим системам отсчета вещественные тела, на которые не действуют никакие силы, не считая сил тяготения, не испытывают убыстрения.

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 неосуществимым, когда возникают гравитационные поля. То, что свободно падающие системы совершенно есть хотя бы лишь как локальные системы отсчета, есть прямое следствие принципа эквивалентности, которому подчиняются все гравитационные эффекты. Но этот же самый принцип несет ответственность 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 отдал возможность физикам поглубже 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 опровергает универсальность существования инерциальных систем отсчета, заключается в том, что он ясно указывает последующее: нет никаких оснований принимать без раздумий возможность построения инерциальных систем отсчета, невзирая на то, что такие системы использовались в протяжении нескольких веков.

6. Тяготение во времени и пространстве.

В теории тяготения Ньютона убыстрение тяготения, вызываемое данной большенный массой, пропорционально данной массе и назад пропорционально квадрату расстояния от данной массы. Этот же самый законможно сконструировать мало по другому, но при всем этом мы сможем выйти на релятивистский законтяготения. Эта другая формулировка опирается на большенный гравитирующей массы. Поле можно на сто процентов обрисовать, задавая в каждой точке места вектор, величина и направление которого соответствуют тому гравитационному убыстрению. 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 места совпадает с направлением локального поля тяготения (убыстрения ); эти кривые проводятся с плотностью ( определенное число кривых на единицу площади поперечного сечения, рис. 2), равной величине локального поля. Если рассматривается одна большая масса, такие кривые — их именуют силовыми линиями — оказываются прямыми линиями; эти прямые указывают прямо на тело, создающее поле тяготения ( рис. 2а). Рис.2б соответствует полю сделанному 2-мя массами.

Назад пропорциональная зависимость от квадрата расстояния выражается графически так: все силовые полосы начинаются на бесконечности и завершаются на огромных массах. Если плотность силовых линий равна величине убыстрения, число линий, проходящих через сферическую поверхность, центр которой размещен на большенный 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 оборотной зависимости от квадрата расстояния быть может приведен в таковой форме, которая в одинаковой мере годна для источника тяготения в виде одной большенный 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 ограниченное
: силовые полосы не могут принимать 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 1-го и такого же объекта в различных четырехмерных либо, лоренцевых,
системах отсчета ). Неоднородности релятивистского поля тяготения описываются тензором
кривизны. Тензор представляет собой математический объект, приобретенный обобщением представления о векторах. В обилии, описываемом при помощи координат, тензорам можно сравнить составляющие, на сто процентов определяющие тензор. Релятивистская теория связывает тензор кривизны с тензором, описывающим друг другу. Коэффициент пропорциональности определяется из требования: законтяготения в тензорной форме должен сводиться к ньютоновскому закону тяготения для слабеньких гравитационных полей и при малых скоростях тел; этот коэффициент пропорциональности с точностью до глобальных констант равен неизменной тяготения Ньютона. Сиим шагом Эйнштейн окончил построение теории тяготения, именуемой по другому общей теорией относительности.

7. Заключение.

Общая теория относительности отдала возможность несколько по другому посмотреть на вопросцы, связанные с гравитационными взаимодействиями. Она включила в себя всю ньютонов скую механику лишь как личный вариант при малых скоростях движения тел. При всем этом открылась широчайшая область для исследования Вселенной, где силы тяготения играют решающую роль.

ЛИТЕРАТУРА:

П. БЕРГМАН “ ЗАГАДКА ГРАВИТАЦИИ”

ЛОГУНОВ “ РЕЛЯТИВИСТСКАЯ ТЕОРИЯ ГРАВИТАЦИИ”

ВЛАДИМИРОВ “ ПРОСТРАНСТВО, время, ГРАВИТАЦИЯ”

[АА1]
[АА1]

]]>