Делаем сами - своими руками.

Блог о том, что многое можно создать своими руками и намного дешевле и качественнее и тем самым сэкономить финансы и занять себя полезным делом. Также роль блога сохранить для себя, все то что мне понравился и счел нужным сохранить, чтоб не искать потом в источниках и закладках.

4 ноября 2021 г.

Почему гравитация увеличивается вблизи объектов с высокой плотностью?

https://youtu.be/FPtzlOqaJsg

Почему гравитация увеличивается вблизи объектов с высокой плотностью? Об этом мы узнаем посмотрев видео с ютюба.

Гравитационное линзирование - изучение его эффектов.

Гравитационное линзирование — это отклонение лучей света гравитационным полем материального объекта. Этот эффект был предсказан общей теорией относительности Эйнштейна: согласно ей пространство и время объединены в сущность под названием «пространство-время», которое может искривляться. Для чего используется гравитационное линзирование и как можно проверить теорию гравитации, рассказывает астростатистик Алан Хэвенс.

Следствия общей теории относительности

Теория Эйнштейна говорит нам в том числе о том, как именно пространство-время искривляется, а оно искривляется под воздействием материи. Чтобы примерно понять, как это происходит, представьте себе резиновую мембрану, на которую положили тяжелое пушечное ядро. В этом случае мембрана изогнется. Кроме того, общая теория относительности описывает, как материя движется в пространстве-времени: если вы представите себе, что рядом с пушечным ядром на мембране толкнули маленький шарик, траектория его движения будет не прямой, а искривленной.

Этот феномен наблюдается также и для света: гравитационное поле материи искривляет траекторию движения лучей света. У этого есть ряд полезных применений в астрономии: например, из-за отклонения света меняется расположение объектов на небе. Это было подтверждено в знаменитом эксперименте сэра Артура Эддингтона, проведенном сто лет назад, в рамках которого он исследовал свет звезд, расположенных почти за Солнцем. Свет, проходящий совсем рядом с краем солнечного диска, искривляется под воздействием гравитации и изменяет видимое положение звезд друг относительно друга. Следовательно, сравнивая положение звезд, когда Солнце находится почти на луче зрения и когда оно находится в другом месте, можно зафиксировать степень отклонения света.

Это сложно сделать, поскольку Солнце очень яркое, поэтому для проведения эксперимента пришлось дождаться солнечного затмения. Так совпало, что радиус Луны примерно в 400 раз меньше радиуса Солнца, но при этом Луна располагается в 400 раз ближе к Земле, так что она отлично закрывает собой солнечный свет. Результаты наблюдений оставались несколько дискуссионными, но в конечном счете они продемонстрировали правоту теории Эйнштейна по сравнению с теорией Ньютона, которая предполагала, что звезды сдвинутся всего на половину того расстояния, которое предсказала теория Эйнштейна. Последующие эксперименты однозначно подтвердили правоту Эйнштейна.

Второй эффект общей теории относительности состоит в том, что зачастую источники света, искаженного гравитацией, становятся ярче. Это видно, когда одна звезда проходит за другой: тогда она сначала становится ярче, а затем возвращается к своей нормальной яркости. Мы можем использовать этот эффект в разных целях. Представим, что одна звезда проходит перед другой и при этом вокруг нее обращается планета. Тогда эта планета тоже внесет свой вклад в эффект линзирования, и таким образом ее можно обнаружить. Кроме того, с помощью этого эффекта мы можем попытаться понять, где в Млечном Пути сосредоточена темная материя. Мы пришли к выводу о том, что она в основном не сконцентрирована в «темных объектах» наподобие черных дыр или коричневых карликов, поскольку в Галактике не наблюдается соответствующего микролинзирования.

Третий эффект состоит в том, что гравитационное линзирование меняет очертания изображений. Мы видим это, например, в очень крупных скоплениях, где может собраться тысяча галактик. Их суммарная масса так велика, что свет искажается очень сильно и может вытягиваться в длинные тонкие арки. Иногда вы даже можете увидеть одну и ту же галактику дважды, если исходящий от нее свет отклоняется в двух или более направлениях, а затем все равно попадает в телескоп. Это многое может нам сказать о том, какой объект обеспечил такой эффект.

Темная энергия и теория гравитации

Среди всего прочего гравитационное линзирование используется для исследования природы темной материи. В пример можно привести скопление галактик Пуля, в котором два скопления галактик столкнулись друг с другом примерно 150 миллионов лет назад. Шансы на взаимодействие звезд в этих галактиках очень малы, так что мы видим, как они проходят друг мимо друга, но в галактиках также содержится и газ, и, когда облака газа сталкиваются, они нагреваются от ударной волны и остаются посередине. Таким образом, мы видим два скопления галактик и горячий газ между ними и можем использовать эффект гравитационного линзирования, чтобы определить, где заключена большая часть массы.

Оказалось, что она связана с галактиками, то есть темная материя прошла насквозь вместе с галактиками и не осталась в центре, ее оказалось много — большая часть массы ассоциируется с темной материей. Это представляет серьезную проблему для альтернативных теорий гравитации, которые пытаются избежать необходимости вводить темную материю. Если темной материи не существует, то эффекты линзирования должны быть связаны с газом, который составляет большую часть массы галактики, однако, по нашим наблюдениям, большая часть массы ассоциируется не с газом, а с галактиками.

Эффект линзирования здесь очень силен, но, кроме того, мы видим очень слабый эффект линзирования по всему небу. Если вы посмотрите на удаленную галактику, пришедший в ваш телескоп свет окажется немного искаженным: формы объектов меняются примерно на 1–2%. Этот эффект наблюдается в любой точке звездного неба. С одной стороны, это искажение слегка мешает, а с другой — многое говорит нам о структуре Вселенной. Мы не знаем, какими были точные формы галактик до того, как произошло линзирование, и определить их непросто, но мы можем статистически оценить получаемый сигнал. Свет от удаленных объектов добирался до нас в течение многих миллиардов лет, и за это время Вселенная развивалась и становилась более комковатой из-за того, что гравитация притягивала объекты друг к другу, так что этот свет показывает нам, как быстро формировалась структура Вселенной. Это зависит от законов гравитации и других показателей — например, от количества темной энергии во Вселенной, которая вносит наибольший вклад в энергетический бюджет Вселенной. Так что линзирование позволяет нам оценить составные элементы Вселенной и уточнить теорию гравитации.

Эта область исследований сравнительно молодая: эффект линзирования был обнаружен на рубеже XX–XXI веков, но теперь это стандартный инструмент космологических исследований. С его помощью можно проверить наши теории гравитации, поскольку свет и медленные частицы по-разному реагируют на гравитацию, а в теории Эйнштейна между ними есть очень простые взаимоотношения. Если мы посмотрим на распределение масс, полученное при помощи исследования эффектов линзирования, и на распределение материи от медленных объектов вроде галактик, мы можем проверить эту теорию.

Итак, что же мы знаем к настоящему моменту? Пока что все говорит о том, что теория гравитации Эйнштейна прекрасно работает, а темная энергия — это форма космологической постоянной Эйнштейна. Есть указания на то, что, вероятно, Вселенная не настолько комковата, как следовало бы ожидать при изучении эффектов линзирования.

Расхождения не такие большие, чтобы стоило волноваться, но если они подтвердятся, то это может указать на то, что, возможно, наши представления не вполне верны, а теорию гравитации Эйнштейна нужно доработать на крупных масштабах или что темная энергия — это не космологическая постоянная Эйнштейна, а намного более сложный и даже загадочный объект. Чтобы это установить, нам понадобятся более точные данные, которые можно будет получить с аппарата Euclid, который разрабатывает Европейское космическое агентство (его планируют запустить через несколько лет).

Я занимаюсь статистическим анализом линзирования: мы разрабатываем методы исследования линзирования по жестким статистическим принципам. Это сложная статистическая задача, поскольку сигнал очень слабый, и нам нужны большие объемы данных и большое число объектов, чтобы сделать научно обоснованные выводы. Но с точки зрения физики это очень красивый сигнал, который зависит только от гравитации — в деталях все намного сложнее, но базовая физика здесь проста и прекрасна.

Полагаю, мы делимся на два лагеря: одни хотят обнаружить что-то новое, найти ошибки в эйнштейновской гравитации, а другие говорят: «Ну, прекрасно работать в такое время, когда вы доказываете, что имеющаяся теория верна, что наше понимание Вселенной верно». Пожалуй, я скорее склоняюсь в сторону второй позиции.

источник https://postnauka.ru/video/156220

Что такое гравитация в научном понятие?

Содержание страницы: [Скрыть]

Гравитация — это «искривление» пространства. Чем больше масса, тем большее «искривление» пространства и, следовательно, в это «искривление» «скатываются» более легкие объекты. Все объекты, обращающиеся вокруг Солнца, удерживаются на своих орбитах с помощью гравитации. Но она не только выполняет функции некоей привязи, но ещё и стала той силой, что создала эти объекты. Сила тяготения не позволяет планетам выбирать путь по своему усмотрению, закольцевав их орбиты. Но зависимость от этой силы уменьшается экспоненциально – при удалении в два раза, воздействие ослабляется в четыре раза, а утроение удаления ослабляет силу уже в девять раз.

Ньютон напрямую ассоциировал гравитацию с силой тяжести. К телу приложена сила тяжести, источником которой является иное тело (или тела), а гравитационного поля, как такового, просто не существует. Поскольку гравитация относится к прямому взаимодействию тел, то и определяется она Законом всемирного тяготения. Гравитационному полю придан условный характер, необходимый лишь для расчётов. Для земных условий это вполне допустимо.

Гравитация от Эйнштейна

Гравитационное воздействие описывал ещё Аристотель. Он полагал, что скорость падения предмета зависима от его массы. Но лишь Галилей смог понять, что любое тело имеет равное значение ускорения. А Эйнштейн развил это утверждение в своей теории относительности, описав гравитацию с понятием геометрии пространства-времени.

В классическом представлении сила гравитационного взаимодействия двух точек имеет вид зависимости массы этих точек от расстояния в квадрате между ними. Чем больше тело, тем большее гравитационное поле оно может создать.

Хотя гравитация – взаимодействие очень слабое, но действие её распространяется на любые расстояния.

Гравитационное притяжение универсально по характеру воздействия на материю, нет объектов, не имеющих его. Эйнштейн постулировал, что гравитационные эффекты обуславливаются не силовыми влияниями тела или поля, находящегося в пространстве-времени, а изменениями в самом пространстве-времени. Всё это происходит из-за наличия массы-энергии. По теории Эйнштейна, масса и энергия – это единый параметр тел. Их связывает всем известная формула: Е = m•с² Два массивных тела, взаимодействуя между собой, будут искривлять пространство. Но почему происходит это искривление, Эйнштейн ответа дать не смог. Гравитация, в силу своей глобальности, отвечает за явления крупных масштабов. Это галактические структуры, чёрные дыры, расширяющаяся Вселенная. Но и простые факты астрономии, – планетные орбиты, земное притяжение, падение тел, – тоже зависимы от гравитации.

Небесная механика

Эта часть механики изучает движение тел, находящихся в ничем не заполненном пространстве, на которые действует только гравитация. Самая простая задача раздела – обоснование гравитационного влияния двух тел, точечных или сферических, в пустом пространстве. Если же тел, которые взаимодействуют друг на друга, большее количество, задача усложняется. Численное решение приводит к неустойчивости решений от начальных условий. То есть, применив её к нашей планетной системе, мы не сумеем предугадать планетные движения на периоды, превысившие сто миллионов лет. Описание долговременного поведения системы, состоящей из многих притягивающихся тел с похожей массой, пока невозможно. Этому мешает понятие: динамический хаос.

Гравитационные волны

Гравитационные волны — изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Излучаются движущимися массами, но после излучения отрываются от них и существуют независимо от этих масс. Математически связаны с возмущением метрики пространства-времени и могут быть описаны как «рябь пространства-времени». Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности. Впервые они были непосредственно обнаружены в сентябре 2015 года двумя детекторами-близнецами обсерватории LIGO, на которых были зарегистрированы гравитационные волны, возникшие, вероятно, в результате слияния двух чёрных дыр и образования одной более массивной вращающейся чёрной дыры.

Гравитон

Поскольку гравитационное взаимодействие присутствует, оно должно как-то переноситься. В 30-х годах ХХ века кандидатом в переносчики стал гравитон. Эта частица пока ещё гипотетическая, но она должна иметь спин 2 и два вероятных направления поляризации. Некоторые физики упорно отвергают существование этой частицы. Они предполагают: если гравитоны имеются, то их должны излучать чёрные дыры, а это вступает в противоречия с ОТО. Но попытки расширить стандартную модель такими частицами сопряжены с реальными трудностями в области высоких энергий. На решении этой задачи основаны некоторые разрабатываемые теории квантовой гравитации. По их положениям гравитоны — состояние струн, а отнюдь не точечные частицы. Но низкие энергии их всё же причисляют к частицам точечным. Пока гравитоны обнаружены не были, потому что гравитационные влияния их необычайно слабы.

Квантовая гравитация

Универсальной квантовой теории, объяснившей бы само понятие гравитации, ещё не разработано. Для представления гравитационного взаимодействия было бы вероятно предложить гравитонный обмен, в котором гравитоны выступают в качестве калибровочных бозонов со спином 2. Но такая теория не считается удовлетворительной. На существующее время есть несколько подходов, разрешающих квантование гравитации. Эти подходы считаются достаточно перспективными.

Теория струн. Она заменяет частицы фона пространства-времени на струны и браны (подобие струн). Для решения многомерных задач, браны видятся как частицы уже многомерные, но в тоже время они и структуры пространства-времени. Гравитоны здесь становятся состоянием струн, а не отдельными частицами. Хотя низкие энергии их к ним и причисляют.
Петлевая квантовая гравитация. Здесь время и пространство являются дискретными частями. Они не привязаны к фону пространства-времени, являясь квантовыми пространственными ячейками. Они между собой соединены таким образом, что в малых временных масштабах представляются дискретной структурой пространства. При укрупнении масштабов, части плавно становятся непрерывным пространством-временем. Петлевая гравитация способна описать сущность Большого взрыва, а также пролить свет на его преддверие. Это даже позволяет обходиться без привлечения бозона Хиггса.

Сильные гравитационные поля

В очень сильных гравитационных полях могут быть проявления некоторых эффектов ОТО:

закон тяготения отклоняется от ньютоновского
появляются гравитационные волны
есть эффекты нелинейности
видимое пространство-время изменяет свою геометрию
возможно появление сингулярностей и рождение чёрных дыр.

Но такие проявления могут иметь место лишь в том случае, если гравитация имеет силу бесконечно большую. Пока что наиболее плотными объектами Вселенной, которые удалось обнаружить, являются нейтронные звёзды. В одной из многих теорий гравитационное поле рассматривается в качестве основы для любого поля – магнитного, электрического, глюонного. В таком случае гравитоны становятся базовыми элементами материи. Ну, а чёрная дыра является гравитонной звездой, где силой тяготения разрушаются абсолютно все элементарные частицы, кроме гравитонов. И остаётся лишь одно свойство – гравитация.

Гравитационный коллапс

Когда массивное тело, испытывая гравитационные силы, катастрофически быстро сжимается, происходит его коллапс. Так может закончиться жизнь звезды, имеющей массу более трёх солнечных. Когда в звездах заканчивается запас топлива для продолжения термоядерного процесса, их механическая устойчивость нарушается, и происходит стремительное, с ускорением, сжатие к центральной части. Если давление внутри звезды, которое постоянно растёт, сможет остановить сжатие, то центральная часть светила превратится в нейтронную звезду. При этом возможно сбрасывание оболочки и вспыхивание сверхновой. Но при превышении звездой массы, определённой пределом Оппенгеймера-Волкова, коллапс закончится преобразованием её в чёрную дыру. Значение данного предела пока точно не установлено.

Некоторые парадоксы

Вращающийся вокруг Земли спутник, по отношению к планете, невесом. И всё, что в нём находится, также невесомо. Луна, относительно Земли, опять же невесома, но тела на её поверхности весом уже обладают. Тоже самое и с Землёй. Она невесома относительно Солнца, но мы на ней вес ощущаем. Солнце тоже невесомо относительно галактического ядра. И так – до бесконечности.
В звёздах, в процессе термоядерных реакций, создаётся огромное давление. Но оно сдерживается гравитационными силами. То есть, существование звезды возможно потому, что присутствует динамическое равновесие: температура-давление – гравитационные силы.
В чёрной дыре прекращаются все процессы, кроме одного – гравитации. Её ничто не может поглотить или искривить.