Реферат: Гравитационные взаимодействия

1. Введение.Все[АА1] весомые тела взаимно испытывают тяготение, эта сила обуславливает движениепланет вокруг солнца и спутников вокруг планет.Теория гравитации — теория созданная Ньютоном,стояла у колыбели современной науки.Другаятеория гравитации,разработанная Эйнштейном ,является величайшим достижением теоретической физики 20 века.В течениистолетий развития человечества люди наблюдали явление взаимного притяжения телиизмеряли его величину;они пытались поставить это явление себе на службу,превзойтиего влияние,и наконец,уже в самое последнее время рассчитывать его счрезвычайной точностьюво время первых шагов вглубь Вселенной. Необозримаясложность окружающих нас тел обусловлена прежде всего такой многоступенчатойструктурой,конечные элементы которой — элементарные частицы — обладают сравнительно небольшим числом видов взаимодействия.Но этивиды взаимодействия резко отличаются по своей силе.Частицы,образующие атомные ядра,связаны между собой самыми могучими из всехизвестных нам сил; для того чтобы отделить эти частицы друг от друга ,необходимо затратить колоссальное количество энергии.Электроны в атоме связаны с ядром электромагнитными силами;достаточносообщить им весьма скромную энергию ,( как правило достаточноэнергии химической реакции ) как электроны уже отделяются от ядра.Еслиговорить об элементарных частицах и атомах,то дляних самым слабым взаимодействием является гравитационное взаимодействие.При сопоставлении с взаимодействием элементарных частицгравитационные силы настолько слабы,что это трудно себепредставить.Тем не менее они и только они полностью регулируютдвижение небесных тел.Это происходит потому,чтотяготение сочетает в себе две особенности,из-закоторых его действие усиливается,когда мы переходим к крупным телам. Вотличии от атомного взаимодействия,силы гравитационного притяженияощутимы и на больших удаленьях от созидающих их тел. Крометого гравитационные силы — это всегда силы притяжения, то естьтела всегда притягиваются друг к другу.Развитие теории гравитации произошло в самом начале `становлениясовременной науки на примере взаимодействия небесных тел. Задачуоблегчило то , что небесные тела движутся в вакууме мировогопространства без побочного влияния других сил. Блестящиеастрономы — Галилей и Кеплер — подготовили своими трудами почву для дальнейшихоткрытий в этой области.В дальнейшем великий Ньютон сумел придуматьцелостную теорию и придать ей математическую форму.2. Ньютон и егопредшественники.Среди всех сил,которые существуют в природе,сила тяготенияотличается прежде всего тем,что проявляется повсюду.Всетела обладают массой ,которая определяется как отношение силы ,приложенной к телу, к ускорению,которое приобретает под действием этой силы тело. Сила притяжения, действующая между любыми двумя телами,зависит от масс обоих тел;она пропорциональна произведению масс рассматриваемыхтел.Кроме того,сила тяготения характеризуется тем,чтоона подчиняется закону обратной пропорциональности квадрату расстояния ( рис.1 ).Другиесилы могут зависеть от расстояния совсеминаче;известно немало таких сил.

Вели-

чина

силы

притя-

жения

<img src="/cache/referats/4986/image005.gif" v:shapes="_x0000_s1033"><img src="/cache/referats/4986/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1028"><img src="/cache/referats/4986/image007.gif" v:shapes="_x0000_s1032"><img src="/cache/referats/4986/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1031"> Расстояние от источника тяготения

Один аспектвсемирного тяготения — удивительная двойственная роль,которую играет масса, — послужила краеугольным камнем для построения общейтеории относительности. Согласно второму закону Ньютона масса являетсяхарактеристикой всякого тела,которая показывает,какбудет вести себя тело, когда к нему прикладывается сила, независимоот того,будетли это сила тяжести или какая — то другая сила. Так как все тела,поНьютону,вкачестве отклика на внешнюю силу ускоряются ( изменяют свою скорость ),массатела определяет,какое ускорение испытывает тело, когда кнему приложена заданная сила.Если одна и та же сила прикладывается к велосипедуи автомобилю,каждый из них достигнет определенной скорости в разноевремя.Но по отношению к тяготению масса играет еще и другуюроль, совсем не похожую на ту, какую она играла как отношение силы к ускорению:массаявляется источником взаимного притяжения тел; есливзять два тела и посмотреть, с какой силой они действуют на третье тело,расположенного на одном и том же расстоянии сначала от одного, а затем отдругого тела, мы обнаружим, что отношение этих сил равно отношению первых двухмасс. Фактически оказывается, что эта силапропорциональна массе источника. Сходным образом, согласно третьему законуНьютона, силы притяжения, которые испытывают два различных тела под действиемодного и того же источника притяжения ( на одном и том же расстоянии от него ),пропорциональны отношению масс этих тел. В инженерных науках и повседневнойжизни про силу, с которой тело притягивается к земле, говорят как о весетела.Итак, масса входит в связь, которая существует между силойи ускорением; с другой стороны, масса определяет величину силыпритяжения. Такая двойственная роль массы приводит к тому, что ускорениеразличных тел в одном и том же гравитационном поле оказывается одинаковым. Действительно,возьмем два различных тела с массами m и M соответственно.Пусть оба они свободно падают на Землю. Отношение сил притяжения, испытываемыхэтими телами, равно отношению масс этих тел m/M.Однако ускорение, приобретаемое ими, оказывается одинаковым. Таким образом,ускорение, приобретаемое телами в поле тяготения, оказывается для всех тел водном и том же поле тяготения одинаковым и совсем не зависит от конкретныхсвойств падающих тел. Это ускорение зависит только от масс тел, создающих полетяготения, и от расположения этих тел в пространстве. Двойственная роль массы ивытекающее из нее равенство ускорения всех тел в одном и том же гравитационномполе известно под названием принципа эквивалентности. Это название имеетисторическое происхождение, подчеркивающее то обстоятельство, что эффектытяготения и инерции до известной степени эквивалентны.На поверхности Земли ускорение силы тяжести, грубо говоря,равно 10 м/сек2. Скорость свободно падающего тела, если не учитывать сопротивлениевоздуха при падении, возрастает на 10 м/сек. Каждую секунду. Например, еслитело начнет свободно падать из состояния покоя, то к концу третьей секунды егоскорость будет равна 30 м/сек. Обычно ускорение свободного падения обозначаетсябуквой g. Из-затого, что форма Земли не строго совпадает с шаром, величина gна Земле не везде одинакова;она больше у полюсов, чем на экваторе, и меньшена вершинах больших гор, чем в долинах. Если величина g определяется с достаточной точностью, то на ней сказывается дажегеологическая структура. Этим объясняется то, что в геологические методыпоисков нефти и других полезных ископаемых входит также точное определениевеличины g.То, что в данном месте все тела испытывают одинаковоеускорение, — характерная особенность тяготения;такимисвойствами никакие другие силы не обладают. И хотя Ньютону не оставалось ничеголучшего, как описать этот факт, он понимал всеобщность и единство ускорениятяготения. На долю немецкого физика — теоретика Альберта Эйнштейна ( 1870 — 1955) выпала честь выяснить принцип, на основе которого можно было объяснить этосвойство тяготения, принцип эквивалентности. Эйнштейну также принадлежат основысовременного понимания природы пространства и времени. 3. Специальнаятеория относительности.Уже со времен Ньютона считалось, что все системы отсчетапредставляют собой набор жестких стержней или каких — - то других предметов,позволяющих устанавливать положение тел в пространстве. Конечно, в каждойсистеме отсчета такие тела выбирались по — своему. Вместе с тем принималось,что у всех наблюдателей одно и то же время. Это предположение казалосьинтуитивно настолько очевидным, что специально не оговаривалось. В повседневнойпрактике на Земле это предположение подтверждается всем нашим опытом.Но Эйнштейну удалось показать, что сравнения показанийчасов, если принимать во внимание их относительное движение, не требует особоговнимания лишь в том случае, когда относительные скорости часов значительноменьше, чем скорость распространения света в вакууме. Итак, первым результатоманализа Эйнштейна явилось установление относительности одновременности:двасобытия, происходящие на достаточном удаления друг от друга, могут оказатьсядля одного наблюдателя одновременными, а для наблюдателя, движущегосяотносительно него, происходящими в разные моменты времени. Поэтомупредположение о едином времени не может быть оправданно:невозможно указать определенную процедуру, позволяющую любому наблюдателюустановить такое универсальное время независимо от того движения, в котором онучаствует. В системе отсчета должны присутствовать еще и часы, движущиесявместе с наблюдателем и синхронизированные с часами наблюдателя.Следующий шаг, сделанный Эйнштейном, состоял в установленииновых взаимоотношений результатов измерений расстояний и времени в двухразличных инерциальных системах отсчета. Специальная теория относительностивместо “абсолютных длин” и “абсолютного времени” явила на свет иную “абсолютнуювеличину”, которую принято называть инвариантным пространственно — временныминтервалом. Для двух заданных событий, происходящих на некотором удалениидруг от друга, пространственное расстояние между ними не являетсяабсолютной ( т.е. не зависящим от системыотсчета ) величиной даже в Ньютоновскойсхеме, если между наступлением этих событий есть некоторый интервал времени.Действительно, если два события происходят не одновременно, наблюдатель, движущийсяс некоторой системой отсчета в одном направлении и оказавшийся в той точке, гденаступило первое событие, может за промежуток времени, разделяющий два этисобытия, оказаться в том месте, где наступает второе событие;дляэтого наблюдателя оба события будут происходить в одном и том же местепространства, хотя для наблюдателя, движущегося в противоположном направлении,они могут показаться происшедшими на значительном удалении друг от друга.4. Теорияотносительности и гравитация.Чем глубже уходят научные исследования в конечные составляющиевещества и чем меньше остается число частиц и сил, действующих между ними, темнастойчивее становятся требования исчерпывающего понимания действия и структурыкаждой компоненты материи. Именно по этой причине, когда Эйнштейн и другиефизики убедились в том, что специальная теория относительности пришла на сменуньютоновской физике, они занялись снова фундаментальными свойствами частиц исиловых полей. Наиболее важным объектом, требующим пересмотра, была гравитация.Но почему бы несоответствие между относительностьювремени и законом тяготения Ньютона не разрешить столь же просто, как в электродинамике? Следовалобы ввести представление о гравитационном поле, которое распространялось быпримерно так же, как электрическое и магнитное поля, и которое оказалось быпосредником при гравитационном взаимодействии тел, в согласии с представлениямитеории относительности. Это гравитационное взаимодействие сводилось бы кньютоновскому закону тяготения, когда относительные скорости рассматриваемыхтел были бы малы по сравнению со скоростью света. Эйнштейн попытался построитьрелятивистскую теорию тяготения на этой основе, но одно обстоятельство непозволило ему осуществить это намерение:никтоничего не знал о распространении гравитационного взаимодействия с большойскоростью, имелась лишь некоторая информация относительно эффектов, связанных сбольшими скоростями движения источников гравитационного поля — масс.Влияние больших скоростей на массы непохоже на влияниебольших скоростей на заряды. Если электрический заряд тела остается одним и темже для всех наблюдателей, масса тел зависит от их скорости относительнонаблюдателя. Чем выше скорость, тем больше наблюдаемая масса. Для заданноготела наименьшая масса будет определена наблюдателем, относительно которого телопокоится. Это значение массы называется массой покоя тела. Для всех остальныхнаблюдателей масса окажется больше массы покоя на величину, равную кинетическойэнергии тела, деленной на c.Значение массы стало бы бесконечным в той системеотсчета, в которой скорость тела стала бы равной скорости света.О такойсистеме отсчета можно говорить лишь условно. Поскольку величина источникатяготения столь существенно зависит от системы отсчета, в которой определяетсяее значение, порождаемое массой поле должно быть более сложным, чемэлектромагнитное поле. Эйнштейн заключил поэтому, что гравитационное поле, по — видимому, представляет собой так называемое тензорное поле, описываемоебольшим числом компонент, чем электромагнитное поле.В качестве следующего исходного принципа Эйнштейнпостулировал, что законы гравитационного поля должны получаться на основе математическойпроцедуры, аналогичной процедуре, приводящей к законам электромагнитной теории;законыгравитационного поля, получаемые таким способом, очевидно, должны быть сходныпо форме с законами электромагнетизма. Но даже принимая во внимание все этисоображения, Эйнштейн обнаружил, что он может построить несколько различныхтеорий, которые в равной степени удовлетворяют всем требованиям. Нужна былаиная точка зрения, чтобы однозначно прийти к релятивистской тории тяготения.Эйнштейн нашел такую новую точку зрения в принципе эквивалентности, согласнокоторому ускорение, приобретаемое телом в поле сил тяготения, не зависит отхарактеристик этого тела. 5. Относительность свободного падения.Вспециальной теории относительности, как и в ньютоновской физике, постулируетсясуществование инерциальных систем отсчета т.е. систем относительно которых теладвижутся без ускорения, когда на них не действуют внешние силы.Экспериментальное нахождение такой системы зависит от того, сможем ли мыпоставить пробные тела в такие условия, когда на них не действуют никакиевнешние силы, причем должно быть экспериментальное подтверждение отсутствиятаких сил. Но если наличие, например, электрического (или любого другогосилового) поля может быть обнаружено поразличию в действии, которые эти поля оказывают на различные пробные частицы,то все пробные частицы, помещенные в одно и то же поле тяготения, приобретаютодно и то же ускорение. Однако даже при наличии гравитационногополя существует некоторый класс систем отсчета, который может бытьвыделен чисто локальнымиэкспериментами. Так как все гравитационные ускорения в данной точке ( малой области) у всех тел одинаковы как по величине, так и по направлению, все они окажутсяравными нулю по отношению к системе отсчета, которая ускоряется вместе сдругими физическими объектами, которые находятся под действием только силытяготения. Такая система отсчета называется свободно падающая система отсчета.Такую систему нельзя неограниченно продолжить на все пространство и на всемоменты времени. Она может быть однозначно определена лишь в окрестности мировой точки, в ограниченнойобласти пространства и для ограниченного промежутка времени. В этом смыслесвободно падающие системы отсчета можно назвать локальными системами отсчета.По отношению свободно падающим системам отсчета материальные тела, на которыене действуют никакие силы, кроме сил тяготения, не испытывают ускорения.Свободнопадающие системы отсчета в отсутствие гравитационных полей тождественны синерциальными системами отсчета;в этом случае они неограниченно продолжимы. Нотакое неограниченное распространение систем становится невозможным, когдапоявляются гравитационные поля. То, что свободно падающие системы вообще существуют хотя бы только как локальные системы отсчета,есть прямое следствие принципа эквивалентности, которому подчиняются всегравитационные эффекты. Но тот же самый принцип ответственен за то, чтоникакими локальными процедурами невозможно построить инерциальные системыотсчета при наличии гравитационных полей.Эйнштейнрассматривал принцип эквивалентности как самое фундаментальное свойствотяготения. Он понял, что от представления о неограниченно продолжимых инерциальныхсистемах отсчета следует отказаться пользу локальных свободно падающих систем отсчета;и лишьпоступив таким образом, можно принять принцип эквивалентности как основнуючасть фундамента физики. Такой подход дал возможность физикам глубже заглянутьв природу тяготения. Наличие гравитационных полей оказывается равносильнымневозможности распространения в пространстве и времени локальной свободнопадающей системы отсчета;таким образом, при изучении гравитационных полейследует фокусировать внимание не столькона локальной величине поля, сколько на неоднородности гравитационных полей. Ценностьтакого подхода, который в конечном счете отрицает универсальность существованияинерциальных систем отсчета, состоит в том, что он ясно показывает следующее:нетникаких оснований принимать без размышлений возможность построения инерциальныхсистем отсчета, несмотря на то, что такие системы использовались на протяжениинескольких столетий. 6. Тяготение во времени и пространстве.Втеории тяготения Ньютона ускорение тяготения, вызываемое заданной большоймассой, пропорционально этой массе и обратно пропорционально квадрату расстоянияот этой массы. Тот же самый закон можно сформулировать немного иначе, но приэтом мы сможем выйти на релятивистский закон тяготения. Эта иная формулировкаопирается на представление о гравитационном поле как о чем — то таком,что впечатано в окрестность большой гравитирующей массы. Поле можно полностьюописать, задавая в каждой точке пространства вектор, величина и направлениекоторого соответствуют тому гравитационному ускорению. Которое приобретаетлюбое пробное тело, помещенное в эту точку. Можно описать поле тяготенияграфически, проводя в нем кривые, касательная к которым в каждой точкепространства совпадает с направлением локального поля тяготения (ускорения );этикривые проводятся с плотностью ( определенное число кривых на единицу площадипоперечного сечения, рис. 2), равной величине локального поля. Еслирассматривается одна большая масса, такие кривые — их называют силовыми линиями- оказываются прямыми линиями;эти прямые указывают прямо на тело, создающееполе тяготения ( рис. 2а). Рис.2б соответствует полю созданному двумямассами. Обратно пропорциональная зависимость от квадратарасстояния выражается графически так:все силовые линии начинаютсяна бесконечности и заканчиваются на больших массах. Если плотность силовыхлиний равна величине ускорения, число линий, проходящих через сферическую поверхность,центр которой расположен на большой массе, как раз равно плотности силовыхлиний, умноженной на площадь сферической поверхности радиуса r;площадь сферической поверхности пропорциональна квадрату его радиуса. В общемслучае ньютоновский закон обратной зависимости от квадрата расстояния можетбыть приведен в такой форме, которая в равной степени пригодна для источникатяготения в виде одной большой массы и для произвольного распределения масс: всесиловые линии гравитационного поля начинаются на бесконечности и оканчиваютсяна самих массах. Полное число силовых линий, оканчивающихся в некоторойобласти, содержащей массы, пропорционально полной массе, заключенной в этойобласти. Кроме того, гравитационное поле — поле консервативное:силовые линии не могут принимать форму замкнутых кривых, а перемещение пробноготела вдоль замкнутой кривой не может привести ни к выигрышу, ни к потереэнергии.В релятивистской теории гравитации роль источниковотводится комбинациям массы и импульса ( импульс выступает связующим звеном междусостоянием одного и того же объекта в разных четырехмерных или, лоренцевых,системах отсчета ). Неоднородности релятивистского поля тяготения описываются тензоромкривизны. Тензор представляет собой математический объект, полученныйобобщением представления о векторах. В многообразии, описываемом с помощьюкоординат, тензорам можно сопоставить компоненты, полностью определяющиетензор. Релятивистская теория связывает тензор кривизны с тензором, описывающимповедение источников тяготения. Эти тензоры пропорциональны друг другу. Коэффициентпропорциональности определяется из требования:законтяготения в тензорной форме должен сводиться к ньютоновскому закону тяготениядля слабых гравитационных полей и при малых скоростях тел; этоткоэффициент пропорциональности с точностью до мировых констант равен постояннойтяготения Ньютона. Этим шагом Эйнштейн завершил построение теории тяготения,называемой иначе общей теорией относительности.7. Заключение.Общая теория относительности дала возможность несколькоиначе взглянуть на вопросы, связанные сгравитационными взаимодействиями. Она включила в себя всю ньютонов скуюмеханику только как частный случай при малых скоростях движения тел. При этомоткрылась широчайшая область для исследования Вселенной, где силы тяготения играютрешающую роль. ЛИТЕРАТУРА:П. БЕРГМАН “ ЗАГАДКА ГРАВИТАЦИИ”ЛОГУНОВ “ РЕЛЯТИВИСТСКАЯ ТЕОРИЯГРАВИТАЦИИ”ВЛАДИМИРОВ “ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ, ГРАВИТАЦИЯ”

[АА1]PAGE # "'Ñòð:'#'
'" [АА1]

еще рефераты

Еще работы по астрономии

Реферат по астрономии

Есть ли жизнь во вселенной

29 Августа 2013

Реферат по астрономии

Есть ли жизнь на Марсе?

29 Августа 2013

Реферат по астрономии

Жизнь во Вселенной

29 Августа 2013

Реферат по астрономии

Звездное небо

29 Августа 2013