22. Гравитационное взаимодействие

Гравитационное взаимодействие – это универсальное взаимодействие между любыми видами материи. Это означает, что оно осуществляется и между частицами вещества, и между физическими полями. Гравитационное взаимодействие - это всегда притяжение. В нем участвуют все классы элементарных частиц. Из всех фундаментальных взаимодействий оно является самым слабым, и в современной теории элементарных частиц обычно не учитывается.

Гравитационное взаимодействие – дальнодействующее. Это означает, что его радиус действия равен бесконечности.

Если поле тяготения достаточно слабое и тела движутся медленно, по сравнению со скоростью света, то справедлив закон всемирного тяготения Ньютона. Согласно этому закону, две материальные точки (под материальными точками в данном случае можно понимать любые тела, линейные размеры которых много меньше расстояния между ними) притягиваются с силой:

где g - гравитационная постоянная;

m_1, m₂ – массы тел;

r - расстояние между материальными точками.

В общем случае, который включает сильные поля тяготения и высокие скорости движения, сравнимые со скоростью света, тяготение описывается общей теорией относительности (ОТО). ОТО является обобщением ньютоновской теории тяготения на основе специальной теория относительности (СТО).

Теория Эйнштейна описывает тяготение как воздействие физической материи на свойства четырехмерного пространства-времени. Оно, в свою очередь, влияет на движение материи и другие физические процессы. Так, ОТО установлено, что материя искривляет пространство-время. И это искривление, проявляемое как тяготение, влияет на движение материи. В таком пространстве-времени движение тел по инерции, т.е. при отсутствии внешних сил, происходит уже не по прямым, а по искривленным линиям (геодезическим линиям) и с переменной скоростью. Геометрия обычного трехмерного пространства оказывается неэвклидовой (она описывается геометрией Римана).

Эйнштейновская теория тяготения приводит, по сравнению с ньютоновской, к качественно новым эффектам:

а) к существованию гравитационных волн, испускаемых неравномерно движущимися телами;

б) к гравитационному изменению длины волны света в сильном поле тяготения;

в) к возможности возникновения “черных дыр”. “Черная дыра” - это объект, возникающий в результате сильного сжатия тела, при котором гравитационное поле возрастает настолько, что тело не испускает ни свет, ни любое другое излучение или частицы. Для образования “черной дыры” необходимо, чтобы тело сжалось до размеров, меньших так называемого гравитационного радиуса.

Он определяется массой М и равен

где g = 6,7·10^-8 см³г^-1сек^-2 -гравитационная постоянная;

с - скорость света.

Для обычных астрофизических объектов r_гр - очень мал по сравнению с их действительными размерами. Так, для Земли r_гр  0,9 см, для Солнца - около 3 км.

По современным представлениям, “черная дыра” может образоваться в конце эволюция массивной сверхновой звезды.

Необходимо отметить, что многие представления ОТО с хорошей точностью подтверждаются экспериментально.

Гравитационное поле должно подчиняться квантовым законам, как и все остальные физические поля. Квантовая теория гравитации не завершена. Но в ней гравитационные волны рассматриваются как поток квантов – гравитонов. Гравитоны представляют собой электрически нейтральные частицы с нулевой массой покоя. В подавляющем большинстве мыслимых процессов во Веленной квантовые эффекты гравитация чрезвычайно слабы. Но вблизи особых точек, где искривление пространства-времени очень велико, квантовые эффекты должны быть существенными. ОТО предсказывает, что квантовые эффекты гравитации должны быть определяющими, когда радиус кривизны пространства-времени становится равным величине

Расстояние r_пл - называют планковской длиной. В таких условиях ОТО неприменима.

Считается, что трудности в построении теории элементарных частиц могут быть устранены с учетом гравитационного взаимодействия на очень малых расстояниях – порядка 10^-33 см. На таких расстояниях будет сказываться изменение геометрии пространства-времени за счет гравитации. Есть предположение, что планковская длина – это гипотетическая универсальная постоянная размерности длины, определяющая пределы применимости фундаментальных физических представлений теории относительности, квантовой теории, принципа причинности.