Сила притяжения Земли — Libtime

1. Главная
2. Природа
3. Сила притяжения Земли

Елена Голец18 Ноябрь 2015 15830 Мы живем на Земле, мы перемещаемся по ее поверхности, как по краю какого-то скалистого утеса, который возвышается над бездонной пропастью. Мы держимся на этом краю пропасти только благодаря тому, что на нас действует сила притяжения Земли; мы не падаем с земной поверхности только потому, что имеем, как говорят, какую-то определенную весомость. Мы мгновенно слетели бы с этого «утеса» и стремительно полетели бы в бездну пространства, если бы вдруг перестала действовать сила тяжести нашей планеты. Мы бесконечно долго носились бы в бездне мирового пространства, не зная ни верха, ни низа.

Передвижение по Земле

Своим передвижением по Земле мы тоже обязаны наличию силы тяжести. Мы ходим по Земле и непрестанно преодолеваем сопротивление этой силы, ощущая ее действие, как некоторый тяжелый груз на своих ногах. Этот «груз» особенно дает себя знать при подъеме в гору, когда приходится волочить его, словно какие-то тяжелые гири, привешенные к ногам. Он не менее резко сказывается и при спуске с горы, вынуждая нас ускорять шаги. Преодоление силы тяжести при передвижении по Земле. Эти направления – «верх» и «низ» – указывает нам только сила тяжести. Во всех точках земной поверхности она направлена почти к центру Земли. Поэтому, понятия «низ» и «верх» будут диаметрально противоположными для так называемых антиподов, т. е. людей, обитающих на диаметрально противоположных частях поверхности Земли. Например, то направление, которое для живущих в Москве, показывает «низ», для жителей Огненной Земли показывает «верх». Направления, показывающие «низ» для людей, находящихся на полюсе и на экваторе, составляют прямой угол; они перпендикулярны между собой. Вне Земли, при удалении от нее, сила тяжести уменьшается, так как уменьшается сила притяжения (сила притяжения Земли, как и всякого другого мирового тела, распространяется в пространстве неограниченно далеко) и увеличивается центробежная сила, которая уменьшает силу тяжести. Следовательно, чем выше мы будем поднимать какой-нибудь груз, например, на воздушном шаре, тем меньше будет весить этот груз.

Центробежная сила Земли

Вследствие суточного вращения возникает

центробежная сила Земли. Эта сила всюду на поверхности Земли действует в направлении, перпендикулярном к земной оси и в сторону от нее. Центробежная сила невелика по сравнению с силой притяжения. На экваторе она достигает наибольшей величины. Но и здесь, согласно вычислениям Ньютона, центробежная сила составляет только 1/289 долю силы притяжения. Чем дальше к северу от экватора, тем меньше центробежная сила. На самом полюсе она равна нулю. Действие центробежной силы Земли. На некоторой высоте центробежная сила возрастет настолько, что она будет равна силе притяжения, и сила тяжести сделается сначала равной нулю, а затем, с увеличением расстояния от Земли, примет отрицательное значение и будет непрерывно возрастать, будучи направлена в противоположную сторону по отношению к Земле.

Сила тяжести

Равнодействующая силы притяжения Земли и центробежной силы называется силой тяжести. Сила тяжести во всех точках земной поверхности была бы одинакова, если бы наша Земля имела форму совершенно точного и правильного шара, если бы ее масса всюду была одинаковой плотности и, наконец, если не было бы суточного вращения вокруг оси. Но, так как наша Земля не является правильным шаром, не состоит во всех своих частях из пород одинаковой плотности и все время вращается, то, следовательно, сила тяжести в каждой точке земной поверхности несколько различна. Стало быть, в каждой точке земной поверхности величина силы тяжести зависит от величины центробежной силы, уменьшающей силу притяжения, от плотности земных пород и расстояния от центра Земли . Чем больше это расстояние, тем меньше сила тяжести. Радиусы Земли, которые одним своим концом как бы упираются в земной экватор, – самые большие. Радиусы, имеющие своим концом точку Северного или Южного полюса, – наименьшие. Поэтому все тела на экваторе имеют меньшую тяжесть (меньший вес), чем на полюсе. Известно, что на полюсе сила тяжести больше, чем на экваторе, на 1/289 долю. Эту разность тяжести одних и тех же тел на экваторе и на полюсе можно узнать при их взвешивании с помощью пружинных весов. Если же мы будем взвешивать тела на весах с гирями, то этой разности мы не заметим. Весы будут показывать один и тот же вес, как на полюсе, так и на экваторе; гири, как и тела, которые взвешиваются, тоже, конечно, изменятся в вес

Гравитационная биология — Википедия

Гравитационная биология — это научная дисциплина, которая изучает влияние гравитации на живые организмы. На протяжении всей истории жизни на Земле организмы эволюционировали под воздействием переменных факторов, таких как изменения в климате и среде обитания^[1]. Но гравитация, в отличие от климата и среды обитания, является постоянно действующим на Земле, неизменным по своим характеристикам (направленность и интенсивность), фактором. Гравитация, тем не менее, вносит свой вклад в эволюцию всех живых организмов точно так же, как и изменяющиеся во времени факторы. Эволюционное развитие живых организмов происходило в условиях постоянной борьбы с гравитацией, что привело к появлению компенсаторных механизмов (например развитие скелета у животных и механических тканей у растений), прекрасно выполняющих свои функции в земных условиях. Очевидно, что отсутствие или резкое снижение гравитации (микрогравитация), как и её повышение по сравнению с земным уровнем (гипергравитация

[en]) оказывает глубокое влияние на большинство земных живых организмов^[2][3].

Учёные, которые изучают влияние гравитации на живые организмы и их жизнь, называются гравитационными биологами. Гравитационные биологи стремятся способствовать обмену идей с различными группами учёных и инженеров, что позволяет разрабатывать новые прикладные и фундаментальные методы биологических исследований в гравитационной науке, как на Земле, так и в космосе

[4].

Гравитация — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий, которые действуют в природе. Гравитация представляет собой силу притяжения между материальными телами всех размеров — от атомов в телах людей до звёзд во Вселенной. Гравитация Земли — это сила, с которой планета Земля притягивает и удерживает все материальные объекты на своей поверхности. Все материальные объекты обладают собственным гравитационным притяжением, пропорциональным массам этих объектов, поэтому сила притяжения малых объектов гораздо меньше, чем гравитационная сила Земли,которая действует на расстоянии 80 000 километров от Земли. Сила гравитации на поверхности Земли постоянна в величине и направлении:

-{g}- = 9,81 -{m/s2}-.

Существует множество вопросов, связанных с действием силы гравитации Земли на живые организмы. Гравитационная биология изучает, в частности, следующие вопросы:

• Как различные виды живых организмов реагируют на микрогравитацию и повышенную гравитацию (перегрузки)?
• Будет ли микрогравитация иметь долговременные последствия на протяжении нескольких поколений?
• Как космическая микрогравитационная среда влияет на поведение, продолжительность жизни и старение организмов?

С началом эры космических полётов человечество столкнулось с необходимостью обеспечения нормальной жизнедеятельности и эффективности работы человека в условиях невесомости. Помимо практических задач, связанных с решением этой проблемы, гравитационная биология решает ряд фундаментальных вопросов в области физиологии человека, животных и растений, клеточного сигналлинга и клеточной дифференцировки и эмбриологии. В большинстве случаев невесомость оказывает негативные эффекты на развитие и функционирование многоклеточных живых организмов, однако было обнаружено и позитивное влияние невесомости на живые существа

[5].

Гравитация оказывает влияние на развитие жизни животных с момента появления первого одноклеточного организма. Размер отдельных биологических клеток обратно пропорционален интенсивности гравитационного поля, действующего на клетку. В условиях гипергравитации размер клеток будет меньше, чем в условиях гравитационного поля Земли, а в условиях невесомости клетки будут достигать более крупных размеров. Таким образом, гравитация является ограничивающим фактором роста отдельных клеток^[6].

Тем не менее, клетки способны частично преодолевать ограничения, накладываемые гравитацией, за счёт некоторых внутриклеточных структур, в частности, цитоскелета, позволяющего клеткам поддерживать форму в условиях земной силы тяжести. В качестве адаптации клеток к земной силе тяжести можно также рассматривать движение протоплазмы, длинные и тонкие формы клеток, повышенную вязкость цитоплазмы и значительное снижение удельного веса компонентов клеток

[7]^[8].

В настоящее время, в связи с необходимостью подготовки к долговременным межпланетным космическим полётам, исследуется влияние невесомости на костно-мышечную, сердечно-сосудистую, лимфатическую и иммунную системы позвоночных животных и человека^[9].

Исследование развития и роста клеток, растений и животных в отсутствие гравитации имеет большое значение для понимания того, как гравитация влияет на жизнедеятельность, рост и развитие живых существ на Земле. Нахождение в невесомости растений, животных и людей уже через несколько дней приводит к появлению структурных и функциональных изменений. Многочисленные эксперименты показали, что пребывание в космосе влечёт за собой изменения в клеточном обмене веществ, функциях иммунных клеток, клеточном делении и т.д: к примеру, после нескольких дней пребывания в условиях микрогравитации некоторые клетки-предшественники иммунной системы человека переставали дифференцироваться в зрелые клетки

[10]^[11]. Однако учёные полагают, что изменения дифференцировки клеток могут быть связаны не с воздействием микрогравитации, а со стрессом, связанным с космическим полётом. Стресс может изменить метаболическую активность и нарушить протекание биохимических реакций в организме.

„Например, микрогравитация препятствует развитию костных клеток. Костные клетки погибают, если они не связаны между собой или с внеклеточным матриксом. В невесомости оказывается меньше давления на костные клетки, поэтому они имеют меньше межклеточных контактов и чаще погибают. Эти факты позволяют предположить, что гравитация может направлять развитие этих клеток.“

Представления художника о космической колонии будущего. Дон Дэвис (1976)

Ещё одна область, которой занимается гравитационная биология, — культивирование клеток в космосе, где в микрогравитационной среде создают определённые условия и преимущества для роста тканей. В лабораториях на Земле клетки выращивают в чашках Петри. Но в живом организме клетки образуют ткани совершенно разных характеристик. Они растут в виде трёхмерных слоёв ткани, состоящей из специализированных и дифференцированных клеток. Поскольку клетки выращивают в чашках Петри или в пробирке, условия не позволяют дифференцироваться различным типам клеток, составляющим ткань, и они, по существу, бесполезны в биомедицинских целях, таких как трансплантация ткани. С целью моделирования физиологически релевантного клеточного микроокружения используют различные способы культивирования клеток, например динамическое культивирование^[12].

Тем не менее, учёные обнаружили, что, если клетки растут без влияния гравитации Земли, они образуют структуру, которая больше напоминает естественные структуры ткани в организме. Эксперименты показали, что микрогравитация больше подходит для культуры клеток и роста тканей, чем земные условия, что может иметь большое значение для биомедицинских технологий^[9].

Гравитация играет важнейшую роль в росте растений, поскольку растения обладают свойством гравитропизма: способностью расти в определенном направлении в зависимости от направления силы тяжести. Положительным гравитропизмом обычно обладают корни растений, растущие в направлении к центру Земли, в то время как зелёные побеги растений обладают отрицательным гравитропизмом и растут в направлении, обратном вектору силы тяжести.

Как растения чувствуют гравитацию? Они способны к этому за счет секреции гормонов. Одними из таких гормонов являются ауксины, обеспечивающие рост и удлинение клеток корня. Ауксины синтезируются в той или иной наземной части растения, откуда они мигрируют вниз к корням, накапливаются под действием гравитации и стимулируют рост клеток корня. Гормоны также ответственны за рост побегов растений в противоположном направлении по отношению к гравитации.

В космическом пространстве в условиях микрогравитации химические сигналы, которые обычно активированы под действием силы гравитации, отсутствуют, или, по крайней мере, не способны обеспечить гравитропизм. Массовое выращивание растений в космосе показало необычные ответы на эффекты невесомости. В корнях некоторых растительных клеток наблюдалось наличие изменений в хромосомах. Также интересно, что у некоторых растений корни в космосе растут значительно быстрее, чем у тех же растений на Земле.

Ученые все еще не могут в полной мере объяснить причины такого поведения растений, поэтому в настоящее время проводятся многочисленные исследования. Фундаментальное понимание процессов того, как растения растут и размножаются в космосе, имеет важное значение для будущего успеха межпланетных космических полетов, в которых полученный в космосе урожай будет основным (и, возможно, единственным) источником пищи для экипажа космического корабля^[13].

1. ↑ «ГРАВИТАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ – АНТРОПОЛОГИЯ» В АНТРОПОГЕНЕТИЧЕСКОМ ОБОСНОВАНИИ ЗДОРОВЬЯ И НЕЗДОРОВЬЯ — Современные проблемы науки и образования (научный журнал)
2. ↑ Astrobiology: The Living Universe — Gravitational Biology. Архивировано 31 августа 2007 года.
3. ↑ Краснов И.Б., Дьячкова Л.Н. Изменение формирования ультраструктуры соматосенсорной коры крыс под воздействием гипергравитации в пре- и постнатальном онтогенезе, № 3 (32)[1]
4. ↑ What is Gravitational and Space Biology? American Society for Gravitational and Space Biology (ASGSB)
5. ↑ Janet Tou, April Ronca, Richard Grindeland and Charles Wade Models to Study Gravitational Biology of Mammalian ReproductionАbstract Архивная копия от 28 мая 2016 на Wayback Machine
6. ↑ http://mgtairbekov.com/download/materials/books/xmatGravitationalBiologyOfTheCellSummary_mat_rus.pdf
7. ↑ Gravitational Zoology: How Animals Use and Cope with Gravity» Ralf H. Anken, Hinrich Rahmann. 2001. Архивная копия от 28 сентября 2006 на Wayback Machine
8. ↑ Гершович П.М., Гершович Ю.Г., Буравкова Л.Б., Экспрессия генов цитоскелета в культуре мезенхимальных стромальных клеток человека на различных этапах моделирования эффектов микрогравитации, № 4 (39) [2]
9. ↑ ^{1 2} Жизнь с гравитацией и без нее | Наука и жизнь
10. ↑ Эксперимент
11. ↑ Морфофункциональные особенности культивируемых эндотелиальных клеток и мезенхимальных стволовых клеток человека в условиях измененной силы тяжести — автореферат диссертации по…
12. ↑ Люндуп А.В., Демченко А.Г., Тенчурин Т.Х., Крашенинников М.Е., Клабуков И.Д., Шепелев А.Д., Мамагулашвили В.Г., Оганесян Р.В., Орехов А.С., Чвалун С.Н., Дюжева Т.Г. Повышение эффективности заселения биодеградируемых матриксов стромальными и эпителиальными клетками при динамическом культивировании // Гены и клетки. — 2016. — Т. 11, № 3. — С. 102-107. — ISSN 2313-1829.
13. ↑ Как растения растут в состоянии невесомости? — новости космоса и космонавтики на Hi-News.ru

Гравитационный парадокс — Википедия

Гуго фон Зелигер

Гравитацио́нный парадо́кс, или парадокс Неймана — Зелигера, — историческая космологическая проблема, вытекающая из классической теории тяготения^[1] и формулирующаяся следующим образом:

Парадокс назван по именам впервые опубликовавших его немецких учёных К. Неймана и Г. Зелигера. Гравитационный парадокс оказался самым серьёзным затруднением теории тяготения Ньютона, и обсуждение этой темы сыграло значительную роль в осознании научным сообществом того факта, что классическая теория тяготения непригодна для решения космологических проблем^[2]. Многочисленные попытки улучшить теорию тяготения увенчались успехом в 1915 году, когда А. Эйнштейн завершил разработку общей теории относительности, в которой данный парадокс не имеет места^[3].

Если плотность вещества ρ произвольно распределена в пространстве, то создаваемое им гравитационное поле в классической теории определяется гравитационным потенциалом φ. Для нахождения этого потенциала надо решить уравнение Пуассона^[1]:

Δφ=−4πGρ,{\displaystyle \Delta \varphi =-4\pi G\rho ,}

Здесь G{\displaystyle G} — гравитационная постоянная. Общее решение этого уравнения записывается в виде^[1]:

φ=−G∫ρdVr+C,{\displaystyle \varphi =-G\int {\frac {\rho dV}{r}}+C,}

(1)

где r — расстояние между элементом объёма dV и точкой, в которой определяется потенциал φ, С — произвольная постоянная.

В 1894—1896 годах немецкие учёные К. Нейман и Г. Зелигер, независимо друг от друга, проанализировали поведение интеграла в формуле (1) для всей бесконечной Вселенной. Выяснилось, что если средняя плотность вещества во Вселенной ненулевая, то интеграл расходится. Более того, чтобы потенциал принимал конечное значение, необходимо^[1], чтобы средняя плотность вещества во Вселенной с ростом r{\displaystyle r} убывала быстрее, чем 1r2.{\displaystyle {\frac {1}{r^{2}}}.} Если указанное условие нарушено, то, как показал Зелигер, в зависимости от способа перехода к пределу в интеграле действующая на произвольное тело сила тяготения может принимать любое значение, включая бесконечное^[4].

Зелигер заключил, что с ростом масштаба во Вселенной средняя плотность вещества должна быстро убывать и в пределе стремиться к нулю. Этот вывод противоречил традиционным представлениям о бесконечности и однородности Вселенной и порождал сомнение в том, пригодна ли ньютоновская теория для исследования космологических проблем^[5].

На рубеже XIX—XX веков были предложены несколько вариантов решения проблемы.

Конечная масса вещества[править | править код]

Проще всего предположить, что во Вселенной существует лишь конечное количество вещества. Эту гипотезу рассматривал ещё Исаак Ньютон в письме Ричарду Бентли^[6]. Анализ показал, что подобный «звёздный остров» со временем, под действием взаимовлияния звёзд, либо соединится в одно тело, либо рассеется в бесконечной пустоте^[7]. А. Эйнштейн, рассматривая принцип однородного распределения вещества в бесконечной Вселенной, писал^[8]:

Это представление несовместимо с теорией Ньютона. Больше того, последняя требует, чтобы мир имел нечто вроде центра, где плотность числа звёзд была бы максимальной, и чтобы эта плотность убывала с расстоянием от центра так, что на бесконечности мир был бы совсем пустым. Звёздный мир должен представлять собой конечный остров в бесконечном океане пространства.

Это представление не очень удовлетворительно само по себе. Оно неудовлетворительно ещё и потому, что приводит к следствию, что свет, излучаемый звёздами, а также отдельные звёзды звёздной системы должны непрерывно удаляться в бесконечность, никогда не возвращаясь и не вступая во взаимодействие с другими объектами природы. Такой мир, материя которого сконцентрирована в конечном пространстве, должен был бы медленно, но систематически опустошаться.

Иерархическая Вселенная[править | править код]

Иерархическая, или «фрактальная» космология, восходящая ещё к учёному XVIII века Иоганну Ламберту, явилась более изощрённой попыткой решить проблему. Ламберт в 1761 году опубликовал «Космологические письма о строении Вселенной», где предположил, что Вселенная устроена иерархично: каждая звезда с планетами образует систему первого уровня, далее эти звёзды объединяются в систему второго уровня и т. д. В 1908 году шведский астроном Карл Шарлье показал, что в иерархической модели Ламберта для устранения гравитационного парадокса достаточно предположить для каждых двух соседних уровней иерархии следующее соотношение между размерами Rk{\displaystyle R_{k}} систем и средним числом Nk{\displaystyle N_{k}} систем нижнего уровня в системе следующего уровня^[9]:

RkRk−1>Nk,{\displaystyle {\frac {R_{k}}{R_{k-1}}}>{\sqrt {N_{k}}},}

то есть размеры систем должны расти достаточно быстро. В XXI веке идеи Шарлье почти не имеют последователей, так как модель Ламберта (и фрактальная космология вообще) противоречит ряду современных наблюдательных данных, в особенности различным косвенным свидетельствам малости колебаний гравитационного потенциала в видимой вселенной^[10].

Модификация закона всемирного тяготения[править | править код]

Третья группа гипотез содержала различные модификации закона всемирного тяготения. Немецкий физик Август Фёппль предположил (1897), что во Вселенной существует вещество с отрицательной массой, компенсирующее избыток тяготения^[11]. Гипотезу о существовании вещества с отрицательной массой ещё в 1885 году выдвинул английский математик и статистик Карл Пирсон, он считал, что «минус-вещество», отталкиваясь от обычного, переместилось в отдалённые районы Вселенной, но некоторые известные звёзды с быстрым собственным движением, возможно, состоят из такого вещества^[12]. Уильям Томсон (лорд Кельвин) (1884 год) аналогичную гасящую роль отводил эфиру, который, по его мнению, притягивает только сам себя, создавая дополнительное давление^[13].

Ряд учёных пытались исходить из необъяснимого в рамках ньютоновской теории аномального смещения перигелия Меркурия. Простейшим вариантом была «гипотеза Холла», согласно которой квадрат расстояния в формуле закона всемирного тяготения следует заменить на немного бо́льшую степень. Такая корректировка достигала сразу двух целей — гравитационный парадокс исчезал (интегралы становились конечными), а смещение перигелия Меркурия можно было объяснить, подобрав подходящий показатель степени для расстояния. Однако, как вскоре выяснилось, движение Луны не согласуется с новым законом^[14].

Зелигер и Нейман предложили ещё одну модификацию закона всемирного тяготения:

F=G⋅m1⋅m2R2e−λR{\displaystyle F=G\cdot {m_{1}\cdot m_{2} \over R^{2}}e^{-\lambda R}}

В ней дополнительный множитель e−λR{\displaystyle e^{-\lambda R}} обеспечивает более быстрое, чем у Ньютона, убывание тяготения с расстоянием. Подбор коэффициента затухания λ{\displaystyle \lambda } позволял также объяснить смещение перигелия Меркурия, однако движение Венеры, Земли и Марса переставало соответствовать наблюдениям^[15].

Были и другие попытки улучшить теорию гравитации, но до работ А. Эйнштейна все они были безуспешны — новые теории либо не объясняли в полной мере смещение перигелия Меркурия, либо давали ошибочные результаты для других планет^[14].

Неевклидова геометрия пространства[править | править код]

С 1870-х годов начали появляться первые гипотезы о том, что для решения парадокса следует предположить у Вселенной неевклидову геометрию (Шеринг, Киллинг, позднее Шварцшильд и Пуанкаре)^[16]. Немецкий астроном Пауль Харцер^[de] склонялся к мнению, что кривизна пространства положительна, поскольку тогда объём Вселенной конечен, и наряду с гравитационным отпадает также фотометрический парадокс^[17]. Однако объяснить смещение перигелия Меркурия с помощью этой гипотезы не удалось — расчёты показали, что получается неправдоподобно большая кривизна пространства^[16].

Ньютоновская теория тяготения, как выяснилось в начале XX века, неприменима для расчёта сильных полей тяготения. В современной физике она заменена на общую теорию относительности А. Эйнштейна (ОТО). Новая теория тяготения привела к созданию науки космологии, включающей ряд разнообразных моделей устройства мироздания^[18]. В этих моделях гравитационный парадокс не возникает, поскольку сила тяготения в ОТО есть локальное следствие неевклидовой метрики пространства-времени, и поэтому сила всегда однозначно определена и конечна^[19][3].

Первую статью по релятивистской космологии опубликовал сам Эйнштейн в 1917 году, она называлась «Вопросы космологии и общая теория относительности» (нем. Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie). В этой статье Эйнштейн сослался на гравитационный парадокс как доказательство неприменимости ньютоновской теории в космологии, и заключил: «Эти трудности, по-видимому, нельзя преодолеть, оставаясь в рамках теории Ньютона»^[20].

1. ↑ ^{1 2 3 4} Физическая энциклопедия, том I, 1988, с. 531.
2. ↑ Томилин А. Занимательно о космологии. — М.: Молодая гвардия, 1971. — С. 336.
3. ↑ ^{1 2} Эволюция Вселенной, 1983, с. 95.
4. ↑ Norton, John D., 1999, с. 275.
5. ↑ Релятивистская астрономия, 1989, с. 42.
6. ↑ Hoskin Michael. (2008), Gravity and Light in the Newtonian Universe of Stars // JHA, xxxix, p. 252.
7. ↑ Релятивистская астрономия, 1989, с. 42—43.
8. ↑ Эйнштейн А. О специальной и общей теории относительности, 1965, с. 583—584.
9. ↑ Релятивистская астрономия, 1989, с. 43.
10. ↑ Tegmark et al. The Three-Dimensional Power Spectrum of Galaxies from the Sloan Digital Sky Survey (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. — IOP Publishing, 2004. — 10 May (vol. 606, no. 2). — P. 702—740. — DOI:10.1086/382125. — Bibcode: 2004ApJ…606..702T. — arXiv:astro-ph/0310725.
11. ↑ Norton, John D., 1999, с. 272.
12. ↑ Визгин В. П., 1981, с. 35, 55—56.
13. ↑ Norton, John D., 1999, с. 284.
14. ↑ ^{1 2} Роузвер Н. Т. Перигелий Меркурия. От Леверье до Эйнштейна = Mercury’s perihelion. From Le Verrier to Einstein. — М.: Мир, 1985. — 244 с.
15. ↑ Визгин В. П., 1981, с. 34—35.
16. ↑ ^{1 2} Визгин В. П., 1981, с. 36—37.
17. ↑ Гарцер П. Звезды и пространство // Новые идеи в математике. СПб.: Образование, 1913. — В. 3. — С. 71—116.
18. ↑ Эволюция Вселенной, 1983, с. 93—96.
19. ↑ Релятивистская астрономия, 1989, с. 44.
20. ↑ Эйнштейн А. Собрание научных трудов. — М.: Наука, 1965. — Т. I. — С. 601—612. — 700 с.

• Визгин В. П. Релятивистская теория тяготения. Истоки и формирование. 1900—1915 гг. — М.: Наука, 1981. — С. 34—37, 55—56. — 352 с.
• Джеммер М. Понятие массы в классической и современной физике. — М.: Прогресс, 1967. — С. 134—135.
• Зельманов А. Л. Нерелятивистский гравитационный парадокс и общая теория относительности // Научные доклады высшей школы. Физико-математические науки. — 1958. — № 2. — С. 124.
• Киппер Α. Я. О гравитационном парадоксе // Сб.: Вопросы космогонии. — 1962. — Т. 8. — С. 58—96.
• Климишин И. А. Релятивистская астрономия. — 2-е изд. — М.: Наука, 1989. — С. 41—46. — ISBN 5-02-014074-0.
• Новиков И. Д. Гравитационный парадокс // Физическая энциклопедия (в 5 томах) / Под редакцией акад. А. М. Прохорова. — М.: Советская Энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 531—532. — ISBN 5-85270-034-7.
• Новиков И. Д. § 12. Гравитационный парадокс // Эволюция Вселенной. — 2-е изд. — М.: Наука, 1983.
• Эйнштейн А. О специальной и общей теории относительности (общедоступное изложение) // Собрание научных трудов. — М.: Наука, 1965. — Т. I. — С. 530—600. — 700 с.
• Norton, John D. The Cosmological Woes of Newtonian Gravitation Theory // H. Goenner, J. Renn, J. Ritter, T. Sauer, eds. The Expanding Worlds of General Relativity: Einstein Studies. — Boston: Birkhauser, 1999. — Vol. 7. — P. 271—322.

Невесомость — Википедия

Космонавты на борту Международной космической станции Горение свечи на Земле (слева) и в невесомости (справа)

Невесо́мость — состояние, в котором отсутствует сила взаимодействия тела с опорой или подвесом (вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением или действием других массовых сил (в частности, силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела).

Иногда в качестве синонима названия этого явления используется термин микрогравитация, что неверно (создаётся впечатление, что гравитация отсутствует или пренебрежительно мала).

Состояние невесомости имеет место, когда действующие на тело внешние силы являются только массовыми (силы тяготения), либо поле этих массовых сил локально однородно, то есть силы поля сообщают всем частицам тела в каждом его положении одинаковые по модулю и направлению ускорения (что при движении в поле тяготения Земли практически имеет место, если размеры тела малы по сравнению с радиусом Земли), либо начальные скорости всех частиц тела по модулю и направлению одинаковы (тело движется поступательно).

Например, космический аппарат и все находящиеся в нём тела, получив соответствующую начальную скорость, движутся под действием сил тяготения вдоль своих орбит практически с одинаковыми ускорениями, как свободные; ни сами тела, ни их частицы взаимных давлений друг на друга не оказывают, то есть находятся в состоянии невесомости. При этом по отношению к кабине аппарата находящееся в нём тело может в любом месте оставаться в покое (свободно «висеть» в пространстве). Хотя силы тяготения при невесомости действуют на все частицы тела, но нет внешних поверхностных сил, которые могли бы вызывать взаимные давления частиц друг на друга.^[1]

Таким образом, любое тело, размеры которого малы по сравнению с земным радиусом, совершающее свободное поступательное движение в поле тяготения Земли, будет, при отсутствии других внешних сил, находиться в состоянии невесомости. Аналогичным будет результат для движения в поле тяготения любых других небесных тел.

Изменение веса шарика при его свободном падении в жидкости было отмечено ещё Лейбницем. В 1892—1893 гг. несколько опытов, демонстрирующих возникновение невесомости при свободном падении, поставил профессор МГУ Н. А. Любимов, например, маятник, выведенный из положения равновесия при свободном падении, не качался^[2].

Особенности деятельности человека и работы техники[править | править код]

В условиях невесомости на борту космического аппарата многие физические процессы (конвекция, горение и т. д.) протекают иначе, чем на Земле. Отсутствие силы тяжести, в частности, требует специальной конструкции таких систем как душ, туалет, системы разогрева пищи, вентиляции и т. д. Во избежание образования застойных зон, где может скапливаться углекислый газ, и для обеспечения равномерного смешивания теплого и холодного воздуха, на МКС, например, установлено большое количество вентиляторов. Прием пищи и питьё, личная гигиена, работа с оборудованием и в целом обычные бытовые действия также имеют свои особенности и требуют от космонавта выработки привычки и нужных навыков.

Влияние невесомости неизбежно учитывается в конструкции жидкостного ракетного двигателя, предназначенного для запуска в невесомости. Жидкие компоненты топлива в баках ведут себя точно так же, как и любая жидкость (образуют жидкие сферы). По этой причине подача жидких компонентов из баков в топливные магистрали может стать невозможной. Для компенсации такого эффекта применяется специальная конструкция баков (с разделителями газовой и жидкой сред), а также — процедура осадки топлива перед запуском двигателя. Такая процедура состоит во включении вспомогательных двигателей корабля на разгон; создаваемое ими небольшое ускорение осаживает жидкое топливо на днище бака, откуда система подачи направляет топливо в магистрали.

При переходе из условий наличия веса тела у поверхности Земли к условиям невесомости (в первую очередь — при выходе космического корабля на орбиту), у большинства космонавтов наблюдается реакция организма, называемая синдромом космической адаптации.

При длительном (более недели) пребывании человека в космосе отсутствие веса тела начинает вызывать в организме определённые вредные изменения^[3].

Первое и самое очевидное последствие невесомости — стремительное атрофирование мышц: мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате падают все физические характеристики организма^[3]. Кроме того, следствием резкого уменьшения активности мышечных тканей является сокращение потребления организмом кислорода, и из-за возникающего избытка гемоглобина может понизиться деятельность костного мозга, синтезирующего его (гемоглобин)^[3].

Также есть основания полагать, что ограничение подвижности нарушит фосфорный обмен в костях, что приведёт к снижению их прочности^[3].

Довольно часто исчезновение веса путают с исчезновением гравитационного притяжения, но это вовсе не так. В качестве примера можно привести ситуацию на Международной космической станции (МКС). На высоте 350 километров (высота нахождения станции) ускорение свободного падения имеет значение 8,8 м/с², что всего лишь на 10 % меньше, чем на поверхности Земли. Состояние невесомости на МКС возникает не из-за «отсутствия гравитации», а за счёт движения по круговой орбите с первой космической скоростью, то есть космонавты как бы постоянно «падают вперёд» со скоростью 7,9 км/с.

Траектория маневра для достижения невесомости Астронавты Проекта Меркури на борту C-131 Samaritan, 1959

На Земле в экспериментальных целях создают кратковременное состояние невесомости (до 40 с) при полётах самолёта по баллистической траектории, то есть такой траектории, по которой летел бы самолёт под воздействием одной лишь силы земного притяжения. Эта траектория при небольших скоростях движения получается параболой, из-за чего её иногда ошибочно называют «параболической». В общем случае траектория представляет собой эллипс или гиперболу.

Такие методы применяются для тренировки космонавтов в России и США. В кабине пилота на нитке подвешен шарик, который обычно натягивает нитку вниз (если самолёт покоится, либо движется равномерно и прямолинейно). Отсутствие натяжения нити, на которой висит шарик, свидетельствует о невесомости. Таким образом, пилот должен управлять самолётом так, чтобы шарик висел в воздухе без натяжения нити. Для достижения этого эффекта самолёт должен иметь постоянное ускорение равное g и направленное вниз. Другими словами, пилоты создают нулевую перегрузку. Длительно такую перегрузку (до 40 секунд) можно создать, если выполнить специальную фигуру пилотажа «провал в воздухе». Пилоты резко начинают набор высоты, выходя на «параболическую» траекторию, которая заканчивается таким же резким сбросом высоты. Внутри фюзеляжа имеется камера, в которой тренируются будущие космонавты, она представляет собой полностью обитую мягким покрытием пассажирскую кабину без кресел, чтобы избежать травм как в моменты невесомости, так и в моменты перегрузок.

Подобное чувство невесомости (частичной) человек испытывает при полётах рейсами гражданской авиации во время посадки. Однако в целях безопасности полёта и из-за большой нагрузки на конструкцию самолёта, любой рейсовый самолёт сбрасывает высоту, совершая несколько протяженных спиральных витков (с высоты полёта в 11 км до высоты захода на посадку порядка 1-2 км). То есть спуск производится в несколько заходов, во время которых пассажир на несколько секунд ощущает, что его немного отрывает от кресла вверх. Это же чувство испытывают и автомобилисты, знакомые с трассами, проходящими по крутым холмам, когда машина начинает съезжать с верхушки вниз.

Утверждения, что самолёт для создания кратковременной невесомости выполняет фигуры высшего пилотажа типа «петли Нестерова» — не более чем миф. Тренировки выполняются в слегка модифицированных серийных пассажирских или грузовых самолётах, для которых фигуры высшего пилотажа и подобные режимы полёта являются закритическими и могут привести к разрушению машины в воздухе или быстрому усталостному износу несущих конструкций.

Состояние невесомости можно ощутить в начальный момент свободного падения тела в атмосфере, когда сопротивление воздуха ещё невелико.

Существует несколько самолётов, способных проводить полёты с достижением состояния невесомости без вылета в космос. Технология используется как для тренировок космическими агентствами, так и для коммерческих полётов частных лиц. Подобные полёты проводят американская авиакомпания Zero Gravity, Роскосмос (на Ил-76 МДК c 1988 года, полёты также доступны для частных лиц^[4]), NASA (на Boeing KC-135) , Европейское космическое агентство (на Airbus A-310)^[5] Типичный полёт продолжается около полутора часов. В течение полёта проводятся 10-15 сессий невесомости, для достижения которых самолёт совершает крутое пике. Длительность каждой сессии невесомости около 25 секунд^[6]. Более 15000 человек совершили полёты по состоянию на ноябрь 2017 года^[7]. Многие известные люди совершили полёты в невесомости на борту самолёта, в их числе: Баз Олдрин, Джон Кармак, Тони Хоук, Ричард Брэнсон, Артемий Лебедев. Стивен Хокинг также совершил короткий полёт 26 апреля 2007 года^[8][9][10].

Гравитационная аномалия — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Гравитационные аномалии Земли (по данным NASA GRACE — Gravity Recovery And Climate Change)

Гравитацио́нная анома́лия — необычное, отклоняющееся от регулярного проявление гравитационного поля какого-либо объекта.

В космологии необычные скопления массы вещества, которые проявляют себя в виде гравитационных линз и аномального распределения скоростей объектов в их окрестности. В таких случаях, как в случае «Великого аттрактора», наблюдаются оба эти явления. Кроме того, обычно термин ГА используется в связи со скоплениями тёмного вещества или скрытой массы Вселенной^[1].

В применении к формам и гравитационным свойствам небесных тел, гравитационные аномалии обычно выражаются в виде изменения ускорения свободного падения в их окрестности, что может свидетельствовать о наличии полезных ископаемых с бо́льшим значением плотности или, наоборот, о наличии больших пустот в породах. Одним из проявлений аномалии является изменение скорости хода маятниковых часов. В случаях, ассоциированных с залежами руды, часто наблюдаются также геомагнитные аномалии, которые связывают с различными явлениями в атмосфере Земли и в ионосфере. В отличие от таких массивных небесных тел, как Земля, более лёгкие небесные тела обладают бо́льшими относительными значениями гравитационных аномалий, что не позволяет описывать их гравитационный потенциал гармоническими функциями. В случае Земли гравитационный потенциал поверхности, или геоид, описывается именно на основании математических теорий с использованием гармонических функций^[2]. Гравитационные аномалии планет или спутников имеют собственное название — масконы.

С началом эры космических полётов изучение геопотенциала Земли осуществляется в основном с помощью изучения изменения положения искусственных спутников Земли. Предполагается, что появление гравитационных аномалий можно также связать с возникновением опасности землетрясений и извержений вулканов (см. GOCE)^[3].

• Heiskanen, Weikko Aleksanteri; Moritz, Helmut. Physical Geodesy (неопр.). — W.H. Freeman (англ.)русск., 1967.

Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции — эвристический принцип, использованный Альбертом Эйнштейном при выводе общей теории относительности. Его краткая формулировка: тяжёлая и инертная массы любого тела равны^[1].

Все физические явления в гравитационном поле происходят совершенно так же, как и в соответствующем поле сил инерции, если напряжённости обоих полей в соответствующих точках пространства совпадают, а начальные условия одинаковы для всех тел замкнутой системы.^[2]

С точки зрения квантовой теории поля, принцип эквивалентности является следствием требования Лоренц-инвариантности для теории взаимодействия безмассовых частиц со спином 2{\displaystyle 2}, так как требование Лоренц-инвариантности приводит к калибровочной инвариантности теории, а принцип общей ковариантности, являющийся обобщением принципа калибровочной инвариантности, есть математическое выражение принципа эквивалентности^{[3][4][5][6][7][8]}

Исторически, принцип эквивалентности был сформулирован Эйнштейном так^[9]:

Закон равенства инертной и тяжелой масс можно сформулировать очень наглядно следующим образом: в однородном гравитационном поле все движения происходят точно так же, как в равномерно ускоренной системе координат в отсутствии поля тяготения. Если бы этот закон выполнялся для любых явлений («принцип эквивалентности»), то это указывало бы на то, что принцип относительности должен быть распространен на неравномерно движущиеся системы координат, если стремится к естественной теории гравитационного поля.—Альберт Эйнштейн

Формулировка принципа эквивалентности:

A little reflection will show that the law of the equality of the inertial and gravitational mass is equivalent to the assertion that the acceleration imparted to a body by a gravitational field is independent of the nature of the body. For Newton’s equation of motion in a gravitational field, written out in full, it is:

(Inertial mass) ⋅{\displaystyle \cdot } (Acceleration) ={\displaystyle =} (Intensity of the gravitational field) ⋅{\displaystyle \cdot } (Gravitational mass).

It is only when there is numerical equality between the inertial and gravitational mass that the acceleration is independent of the nature of the body.

— Albert Einstein, ^[10]

Для иллюстрации этого принципа Эйнштейн предложил следующий мысленный эксперимент. Пусть тела находятся в лифте, который бесконечно удалён от гравитирующих тел и двигается с ускорением. Тогда на все тела, находящиеся в лифте, действует сила инерции Fi→n=−ma→0{\displaystyle {\vec {F_{i}}}_{n}=-m{\vec {a}}_{0}}, а тела под действием этих сил будут давить на опору или подвес. То есть тела будут обладать весом.

Если лифт не движется, а висит над какой-то гравитирующей массой в однородном поле, то все тела также будут обладать весом. Находясь в лифте, невозможно отличить эти две силы. Поэтому все механические явления будут в обоих лифтах происходить одинаково. Эйнштейн обобщил это положение на все физические явления.

1. Следует различать «слабый принцип эквивалентности» и «сильный принцип эквивалентности»^[11]. Сильный принцип эквивалентности можно сформулировать так: в каждой точке пространства-времени в произвольном гравитационном поле можно выбрать «локально-инерциальную систему координат», такую, что в достаточно малой окрестности рассматриваемой точки законы природы будут иметь такую же форму, как и в не ускоренных декартовых системах координат СТО, где под «законами природы» подразумевают все законы природы^[12].

   Слабый принцип отличается тем, что слова «законы природы» заменяются в нем словами «законы движения свободно падающих частиц»^[11]. Слабый принцип — это не что иное, как другая формулировка наблюдаемого равенства гравитационной и инертной масс, в то время как сильный принцип представляет собой обобщение наблюдений за влиянием гравитации на любые физические объекты.

2. Часто считают, что принцип эквивалентности является основным принципом общей теории относительности и вообще многих релятивистских теорий гравитации, так как якобы в соответствии с принципом эквивалентности гравитационное поле можно рассматривать как неинерциальную систему отсчёта. Это верно лишь с оговорками. Любая неинерциальная система отсчёта в специальной теории относительности всё равно имеет в основе плоское, неискривлённое пространство-время. В метрических же теориях гравитации, к которым принадлежит и общая теория относительности, пространство-время искривлено. Неполнота соответствия выявляется тем фактом, что глобальных инерциальных систем отсчёта в метрических теориях просто нет, там все системы — неинерциальные. Даже переход в локально-инерциальную систему отсчёта не удаляет гравитационных эффектов, связанных с кривизной пространства-времени (например, девиацию геодезических или приливные силы). Только если выбирать размеры изучаемой системы намного меньше характерной кривизны, то приблизительно физическими проявлениями искривления можно пренебречь и получить «принцип эквивалентности». В точной же формулировке законов природы кривизна пространства-времени всё равно появляется в некоторых местах, что отличает их от соответствующих законов в специальной теории относительности^[13][14].
3. С точки зрения математики во всех метрических теориях гравитации принцип эквивалентности с точностью до оговорок предыдущего пункта тривиально следует из того факта, что в окрестности любого события пространства-времени возможно ввести локально геодезическую систему координат или риманову систему координат^[15], в которых в заданной точке символы Кристоффеля исчезают, то есть равны 0. В физике предпочитают говорить об этом как о существовании локально инерциальных систем отсчёта.

Экспериментальная проверка принципа эквивалентности[править | править код]

Измерения ускорений падения атомов различных элементов атомным интерферометром показали, что принцип эквивалентности выполняется с точностью 10−7{\displaystyle {10}^{-7}}^[16]

Сильная форма принципа эквивалентности была проверена для масс Земли и Луны путём высокоточной лазерной дальнометрии уголковых отражателей, установленных на Луне с точностью до (−0,8±1,3)10−13{\displaystyle (-0,8\pm 1,3)10^{-13}}^[17].

Наземные эксперименты по проверке слабой формы принципа эквивалентности по измерению ускорений различных тел дают относительную точность (1,0±1,4)10−13{\displaystyle (1,0\pm 1,4)10^{-13}}^[17]

Слабый принцип эквивалентности (равенство инертной и тяжёлой масс) в 2017 году на спутнике MICROSCOPE был экспериментально проверен с точностью 10−14{\displaystyle 10^{-14}}^[18].

1. ↑ Эйнштейн А. О специальной и общей теории относительности (общедоступное изложение) // Эйнштейн А. Собр. науч. тр. в 4 т. — М., Наука, 1965. — Тираж 32 000 экз. — Т. 1. — С. 563
2. ↑ Сивухин Д. В. Общий курс физики. Механика. — М., Наука, 1979. — Тираж 50 000 экз. — с. 374
3. ↑ Вайнберг, 1975, с. 312.
4. ↑ Вайнберг, 2001, с. 337.
5. ↑ S. Weinberg Feynman rules for any spin, I, Phys. Rev, 133, B1318-1332 (1964)
6. ↑ S. Weinberg Feynman rules for any spin, II, Massless particles, Ib, 134, B882-896 (1964)
7. ↑ S. Weinberg Photons and gravitons in S-matrix theory: derivation of charge conservation and equality of gravitational and inertial mass, Ib, 135, B1049-1056 (1964)
8. ↑ S. Weinberg Photons and gravitons in perturbation theory: derivation of Maxwell’s and Einstein’s equations, Ib, 138, B988-1002 (1965)
9. ↑ «Собрание научных трудов: Работы по теории относительности, 1905-1920» Под редакцией И. Е.Тамма, Я. А.Смородинского, Б. Г.Кузнецова. [1] — М., Наука, 1966. — Том 2. С. 404: «Некоторые замечания о возникновении общей теории относительности» = «Einiges über die Entstehung der allgemeinen Relativitätstheorie». George A. Gibson Foundation Lecture, Glasgow [20th June 1933. Glasgow-Jackson.] Гибсонова лекция, прочитанная в Университете Глазго.
10. ↑ A. Einstein. “How I Constructed the Theory of Relativity,” Translated by Masahiro Morikawa from the text recorded in Japanese by Jun Ishiwara, Association of Asia Pacific Physical Societies (AAPPS) Bulletin, Vol. 15, No. 2, pp. 17-19 (April 2005). Einstein recalls events of 1907 in talk in Japan on 14 December 1922.
11. ↑ ^{1 2} Вайнберг, 1975, с. 82.
12. ↑ Вайнберг, 1975, с. 81.
13. ↑ Синг Дж. Л. Общая теория относительности. — М.: Иностранная литература, 1963. 432 с.
14. ↑ Фок В. А. Теория пространства, времени и тяготения. — М.: ГИТТЛ, 1955. 504 с.
15. ↑ Темчин А. Н. 2.2. Некоторые употребительные классы координатных систем // Уравнения Эйнштейна на многообразии. — М.: Едиториал УРСС, 1999. — 160 с. — ISBN 5-88417-173-0.
16. ↑ Quantum Test of the Universality of Free Fall Phys. Rev. Lett. 112, 203002 – Published 22 May 2014
17. ↑ ^{1 2} Турышев С. Г. Экспериментальные проверки общей теории относительности: недавние успехи и будущие направления исследований УФН 179 3–34 (2009)
18. ↑ Phys. Rev. Lett. 119 231101 (2017) The MICROSCOPE mission: first results of a space test of the Equivalence Principle

Квантовая гравитация — Википедия

Ква́нтовая гравита́ция — направление исследований в теоретической физике, целью которого является квантовое описание гравитационного взаимодействия (и, в случае успеха, — объединение таким образом гравитации с остальными тремя фундаментальными взаимодействиями, то есть построение так называемой «теории всего»).

Несмотря на активные исследования, теория квантовой гравитации пока не построена. Основная трудность в её построении заключается в том, что две физические теории, которые она пытается связать воедино, — квантовая механика и общая теория относительности (ОТО) — опираются на разные наборы принципов. Так, квантовая механика формулируется как теория, описывающая временну́ю эволюцию физических систем (например, атомов или элементарных частиц) на фоне внешнего пространства-времени. В ОТО внешнего пространства-времени нет — оно само является динамической переменной теории, зависящей от характеристик находящихся в нём классических систем.

При переходе к квантовой гравитации, как минимум, нужно заменить системы на квантовые (то есть произвести квантование), при этом правая часть уравнений Эйнштейна — тензор энергии-импульса материи — становится квантовым оператором. Возникающая связь требует какого-то квантования геометрии самого пространства-времени, причём физический смысл такого квантования абсолютно неясен и сколь-либо успешная непротиворечивая попытка его проведения отсутствует^[1]. О квантовании геометрии пространства-времени см. также в статье Планковская длина.

Даже попытка провести квантование линеаризованной классической теории гравитации (ОТО) наталкивается на многочисленные технические трудности — квантовая гравитация оказывается неперенормируемой теорией вследствие того, что гравитационная постоянная является размерной величиной^[2][3]. А именно, в системе единиц ℏ=c=1{\displaystyle \hbar =c=1} гравитационная постоянная является размерной константой с размерностью обратного квадрата массы, как и фермиевская константа взаимодействия слабых токов GF=10−5mp2{\displaystyle G_{F}={\frac {10^{-5}}{m_{p}^{2}}}}, где mp{\displaystyle m_{p}} — масса протона^[4].

Ситуация усугубляется тем, что прямые эксперименты в области квантовой гравитации, из-за слабости самих гравитационных взаимодействий, к сожалению, пока недоступны современным технологиям. В связи с этим в поиске правильной формулировки квантовой гравитации приходится пока опираться только на теоретические выкладки.

Предпринимаются попытки квантования гравитации на основе геометродинамического подхода и на основе метода функциональных интегралов^[5].

Другие подходы к проблеме квантования гравитации предпринимаются в теориях супергравитации и дискретного пространства-времени^[4].

Петлевая квантовая гравитация

Два основных направления, пытающихся построить квантовую гравитацию, — это теория струн и петлевая квантовая гравитация.

В первой из них вместо частиц и фонового пространства-времени выступают струны и их многомерные аналоги — браны. Для многомерных задач браны являются многомерными частицами, но с точки зрения частиц, движущихся внутри этих бран, они являются пространственно-временными структурами.

Во втором подходе делается попытка сформулировать квантовую теорию поля без привязки к пространственно-временному фону; пространство и время по этой теории состоят из дискретных частей. Эти маленькие квантовые ячейки пространства определённым способом соединены друг с другом, так что на малых масштабах времени и длины они создают пёструю, дискретную структуру пространства, а на больших масштабах плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время. Хотя многие космологические модели могут описать поведение вселенной только начиная от планковского времени после Большого взрыва, петлевая квантовая гравитация может описать сам процесс взрыва, и даже заглянуть дальше. Петлевая квантовая гравитация, возможно, позволит описать все частицы Стандартной модели.

Основной проблемой тут является выбор координат. Можно сформулировать и общую теорию относительности в бескоординатной форме (например, с помощью внешних форм), однако вычисления тензора Римана осуществляются только в конкретной метрике. Любош Мотль — пропагандист теории струн — по этому поводу выразился так, что говорить, например, о «фоновой независимости» пропагатора спиновой сети петлевой теории гравитации без указания единичного состояния — то же самое, что вычислять ряд Тейлора в точке х₀ без указания х₀.

Ещё одной перспективной теорией, снимающей возражение Л. Мотля, является причинная динамическая триангуляция. В ней пространственно-временное многообразие строится из элементарных евклидовых симплексов (треугольник, тетраэдр, пентахор) с учётом принципа причинности. Четырёхмерность и псевдоевклидовость пространства-времени в макроскопических масштабах в ней не постулируются, а являются следствием теории.

Другие подходы[править | править код]

Существуют бесчисленное количество подходов к квантовой гравитации. Подходы различаются в зависимости от характеристик, остающихся неизменными, и тех, которые меняются^[6][7]. Примеры включают:

Проводятся первые опыты по выявлению квантовых свойств гравитации путём исследования гравитационного поля очень малых массивных тел, которые удаётся перевести в состояние квантовой суперпозиции^[15]

1. ↑ Более того, наивный «решёточный подход» к квантованию пространства-времени, как оказывается, не допускает правильного предельного перехода в теории калибровочных полей при устремлении шага решётки к нулю, что было отмечено в 1960-е гг. Брайсом Девиттом и широко учитывается ныне при проведении решёточных расчётов в квантовой хромодинамике.
2. ↑ Фролов В. П. Квантовая теория гравитации (по материалам II Международного семинара по квантовой теории гравитации, Москва, 13-15 октября 1981 г.), УФН, 1982, т. 138, с. 151.
3. ↑ Вайнберг С. Гравитация и космология — М.: Мир, 1975. — С. 307.
4. ↑ ^{1 2} Хлопов Ю. М. Гравитационное взаимодействие // Физический энциклопедический словарь. — под ред. А. М. Прохорова — М., Большая Российская энциклопедия, 2003. — ISBN 5-85270-306-0. — Тираж 10000 экз. — с. 137
5. ↑ Иваненко Д. Д., Сарданишвили Г. А. . Гравитация. — М.: Едиториал УРСС, 2004. — 200 с. — 1280 экз. — ISBN 5-354-00538-8.
6. ↑ Isham, Christopher J. (англ.)русск.. Canonical Gravity: From Classical to Quantum (неопр.) / Ehlers, Jürgen; Friedrich, Helmut. — Springer, 1994. — ISBN 3-540-58339-4.
7. ↑ Sorkin, Rafael D. (англ.)русск.. Forks in the Road, on the Way to Quantum Gravity (неопр.) // International Journal of Theoretical Physics (англ.)русск.. — 1997. — Т. 36, № 12. — С. 2759—2781. — DOI:10.1007/BF02435709. — Bibcode: 1997IJTP…36.2759S. — arXiv:gr-qc/9706002.
8. ↑ Loll, Renate. Discrete Approaches to Quantum Gravity in Four Dimensions (англ.) // Living Reviews in Relativity : journal. — 1998. — Vol. 1. — P. 13. — Bibcode: 1998LRR…..1…13L. — arXiv:gr-qc/9805049.
9. ↑ Sorkin, Rafael D. (англ.)русск.. Lectures on Quantum Gravity (неопр.) / Gomberoff, Andres; Marolf, Donald. — Springer, 2005. — ISBN 0-387-23995-2.
10. ↑ Oriti, 2009.
11. ↑ Stephen Hawking. 300 Years of Gravitation (неопр.) / Hawking, Stephen W.; Israel, Werner. — Cambridge University Press, 1987. — С. 631—651. — ISBN 0-521-37976-8..
12. ↑ Levin M., Wen Xiao-Gang. . Detecting Topological Order in a Ground State Wave Function // Physical Review Letters, 2006, 96 (11). — P. 110405. — DOI:10.1103/PhysRevLett.96.110405.
13. ↑ Пенроуз, 2007.
14. ↑ Клара Московиц Запутанные пространством-временем // В мире науки. — 2017. — № 5-6. — С. 118—125.
15. ↑ Тим Фолджер. Квантовая гравитация в лаборатории // В мире науки. — 2019. — № 5—6. — С. 100—109.