Сторінка
1

Гравітаційна взаємодія

План

1. Історичні відомості.

2. Принцип еквівалентності:

3. Маса світла.

Історичні відомості

Незважаючи на велику розмаїтість різних явищ, за сучасними уявленнями в природі існує всього чотири типи взаємодії: гравітаційна, слабка, електромагнітна й сильна. Більше того, сьогодні створена єдина теорія електрослабких взаємодій, у якій електромагнітна й слабка взаємодії розглядаються разом. Ця теорія вже підтверджена експериментально.

Здійснюються також спроби створення так званого великого об'єднання, що поєднує сильну, електромагнітну і слабку взаємодії як, образно кажучи, три грані одного кристала. На цьому шляху також досягнуто певних успіхів. Однак у своїх проявах, що спостерігаються експериментально, чотири перераховані взаємодії настільки різні, що їх цілком доречно розглядати окремо.

З гравітаційною взаємодією ми знайомі найбільше, тому що з нею доводиться зіштовхуватися на кожному кроці, — навіть сам процес ходіння був би неможливий без гравітаційної взаємодії. Уся практична діяльність людини на Землі пов'язана або з використанням, або з подоланням земного тяжіння.

Постійно зіштовхуючись із проявом гравітації у повсякденному житті, ми звикли вважати, що гравітація — це дуже сильна взаємодія. Як важко намагатися піднімати важкі предмети або стрибати на велику висоту! Однак насправді це пов'язано з незаконною (із погляду науки) постановкою досліду. Фізики в таких випадках говорять, що дослід був недостатньо чистим. Адже тіла, які ми вважаємо важкими, взаємодіють із величезним тілом величезної маси — Землею — і притому на мінімальній відстані від неї. А як відомо, сила гравітаційної взаємодії прямо пропорційна добуткові мас взаємодіючих тіл і обернено пропорційна квадратові відстані між ними. Чистий дослід із вимірювання величини гравітаційної взаємодії був поставлений у 1798 році Кавендишем, який спеціальними вимірюваннями встановив, що сила, яка діє між двома матеріальними тілами масою по 1 г кожне, що знаходяться на відстані 1 см одне від одного, дорівнює 6,67·10-13 Н. Усі інші взаємодії незрівнянно сильніші за гравітаційну. Розглянемо це на прикладі електромагнітної взаємодії, що обумовлює, приміром, притягання магнітом металевого предмета. Зверніть увагу: з одного боку залізна скріпка притягається планетою Земля, а з іншого боку — крихітним магнітом. Цей факт, якщо над ним задуматися, вражає уяву, навіть якщо не знати, що з одного боку на скріпку діють всі атоми Землі, а з іншого боку — лише незначна частина іонізованих атомів магнітного заліза.

Радіус дії гравітаційної взаємодії не обмежений, так само як і радіус дії електромагнітної взаємодії. Гравітаційна взаємодія переважає в небесній механіці — між планетами, зірками, галактиками та ін. Електромагнітна взаємодія, хоча й у трильйони разів сильніша за гравітаційну, не може тут із нею конкурувати, тому що зазвичай макроскопічні тіла не заряджені.

Давньогрецький вчений Арістотель вважав, що при падінні важкі тіла рухаються зі швидкістю, пропорційною їхній масі. Очевидно, він дійшов такого висновку на основі спостережень: адже, справді, аркуш паперу повільно опускається на Землю, а камінь летить прямо вниз. Арістотель помилився, тому що не врахував опору повітря.

Галілео Галілей (1564—1642) довів, що всі тіла біля поверхні Землі в порожнечі мають однакове прискорення.

Такий самий висновок зробив при аналізі своїх експериментів І. Ньютон. Він використовував певний набір речовин і встановив, що золото, свинець, скло, пісок, сіль, вода, дерево, пшениця в безповітряному просторі рухаються з однаковим прискоренням. Сьогодні фізики говорять про цю чудову властивість гравітації як про рівність важкої та інертної мас. Тобто сили, які розганяють в однаковому полі тяжіння тіла з різними масами, завжди однаково пропорційні силам інерції, які утримують тіла від розгону. Факт рівності важкої та інертної мас покладений в основу загальної теорії відносності.

Ньютон припустив, що усі без винятку тіла у Всесвіті змушує притягатися одне до одного одна, єдина за природою сила. Він поставив за мету відкрити закон, за яким діє ця сила всесвітнього тяжіння. Зробити це було непросто, оскільки дуже багато чого було ще невідомим науці того часу. Встановивши, що всі тіла отримують на поверхні Землі однакове прискорення, Ньютон не міг знати про те, що це прискорення змінюється при віддаленні від поверхні Землі (тоді подібні експерименти не могли бути проведені). Він не знав також, що різні предмети на Землі теж притягаються один до одного (адже Кавендиш провів свій дослід лише сто років по тому). Однак Ньютону були відомі експериментально виведені на початку XVII ст. німецьким астрономом Й. Кеплером закони руху планет, за якими випливав висновок, що сила тяжіння повинна залежати від відстані між тілами. Так Ньютон відкрив закон всесвітнього тяжіння, який стверджує, що дві будь-які матеріальні частинки з масами т1 і т2 притягаються у напрямку одна до одної із силою F, прямо пропорційною добуткові мас і обернено пропорційною квадратові відстані між ними. На основі цього закону Ньютон дав математичний висновок законів Кеплера про рух планет, пояснив природу морських припливів і багато інших явищ.

Ньютон настільки випередив свій час, що чимало висловлених ним припущень знаходять наукове пояснення лише сьогодні.

Принцип еквівалентності

Положення про рівність важкої та інертної мас наводить на думку про еквівалентність гравітації й руху з прискоренням. Справді, система (наприклад космічний корабель або ліфт), яка рухається з прискоренням, що дорівнює прискоренню вільного падіння в гравітаційному полі Землі (g), створюватиме в цьому місці простору такі ж самі ефекти, що і поле тяжіння. Усі предмети, що знаходяться в цій системі, так само як і тіла в полі тяжіння, матимуть однакове за значенням і напрямком прискорення. Перебуваючи усередині системи, що прискорено рухаєтеся, ви не зможете жодним способом відрізнити рух із прискоренням від тяжіння. Саме ця можливість еквівалентної заміни тяжіння рухом із прискоренням називається принципом еквівалентності Ейнштейна.

Певною мірою це було відомим і до Ейнштейна. Але, по-перше, Ейнштейн поширив принцип еквівалентності з механічних явищ на всі явища природи (включаючи, наприклад, світло). По-друге, до Ейнштейна еквівалентність тяжіння і руху з прискоренням розглядалася в мовчазному припущенні про миттєве поширення гравітаційної взаємодії. Завдання Ейнштейна полягало в тому, щоб зберегти положення еквівалентності в умовах справедливості сформульованого ним самим спеціального принципу відносності, відповідно до якого жоден сигнал (у тому числі й гравітаційна взаємодія) не може поширюватися зі швидкістю, більшою за швидкість світла. Це завдання він вирішив у загальній теорії відносності.