Gravitacinis laukas: apibrėžimas ir Einšteino reliatyvumo paaiškinimas

Atraskite gravitacinio lauko esmę ir Einšteino bendrąją reliatyvumą: erdvėlaikio kreivumas, gravitacinės bangos ir jų įtaka materijai bei kasdieniams reiškiniams.

Fizikoje gravitacinis laukas - tai modelis, naudojamas paaiškinti masyvaus kūno daromai įtakai. Ši įtaka plinta į erdvę aplink save, sukeldama jėgą kitam masyviam kūnui. Taigi gravitacinis laukas naudojamas gravitaciniams reiškiniams (poveikiui) paaiškinti. Jis matuojamas niutonais kilogramui (N/kg).

Pagal pirminę Niutono koncepciją gravitacija buvo jėga tarp taškinių masių. Sekdamas Niutonu, Laplace'as bandė gravitaciją modeliuoti kaip tam tikrą spinduliavimo lauką arba skystį. Nuo XIX a. gravitacija aiškinama lauko, o ne taškinės traukos modeliu. Šią revoliuciją sukėlė Einšteino bendroji reliatyvumo teorija. Dauguma mokslininkų mano, kad gravitacinis laukas ir jo sukeliamos gravitacinės bangos yra fizikinės Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos lygčių interpretacijos.

Lauko modelyje ne dvi dalelės traukia viena kitą, o objektų masė iškreipia erdvėlaikį. Šis iškraipymas suvokiamas ir matuojamas kaip "jėga". Tokiame modelyje materija juda tam tikrais būdais, reaguodama į erdvėlaikio kreivumą. Galima teigti, kad gravitacinės jėgos nėra arba kad gravitacija yra išgalvota jėga.

Kas yra gravitacinis laukas — aiškesnis apibrėžimas

Gravitacinis laukas yra vektorinė fizikinė reikšmė, kuri kiekviename erdvės taške nurodo, kokią pagreitį patirs vieneto masės dalelė (laisvos kritimo atveju). Dažnai laukas žymimas g ir matuojamas N/kg arba, ekvivalentu, m/s². Gravitacinis laukas gali būti aprašytas per jėgos veikimą (F = m g) arba per potencialą Φ, kur g = −∇Φ.

Niutoninis lauko modelis

Niutono teorijoje gravitacinis laukas aplink taškinę masę M yra radialus ir lygus g(r) = −G M / r² r̂ (G — gravitacijos konstanta, r̂ — vienetinis vektorius nuo masės centro). Svarbios savybės:

• Superpozicija: bendras laukas yra atskirų laukų vektorinė suma.
• Potencialas Φ tenkina Poisson lygtį: ∇²Φ = 4πGρ (ρ — masės tankis).
• Tidalinės (gaubimo) jėgos atsiranda dėl lauko erdvinių kitimų — jos matuojamos antruoju potencialo išvestiniu ir paaiškina, kodėl kūnai skirtingose vietose patiria skirtingą traukos stiprį.

Einšteino požiūris: erdvėlaikio geometrija

Einšteino bendroji reliatyvumo teorija pakeitė lauko sampratą: vietoje „jėgos lauko“ kalbama apie erdvėlaikio (metrinio) kreivumą. Materija ir energija lemia erdvėlaikio geometriją, o geometrija nulemia materijos judėjimą. Tai formuluojama per Einšteino lygčių sistemą G_μν = 8πG/c⁴ T_μν, kur G_μν yra kreivumo (Einšteino) tensorius, o T_μν — energijos ir impulso tensorius.

Dėl šio požiūrio laisvai krentantys kūnai juda geodezinėmis trajektorijomis erdvėlaikyje — tai yra „laisvojo kritimo“ samprata: vietoje jėgos jie patiria tiesiog judėjimą pagal vietos erdvėlaikio trajektorijas.

Skirtumai tarp Niutono ir Einšteino aprašymų

• Niutono gravitacija: veiksmas veiksmui per lauko jėgą, instantaniškas poveikis (klasikinis ribinis atvejis).
• Einšteino gravitacija: gravitacija yra erdvėlaikio savybė; poveikis sklinda ribotu greičiu c ir pasireiškia kreivumu.
• Silpno lauko apribojimas: Einšteino teorija priveda prie Niutono formulės, kai laukai yra silpni ir greičiai nedideli palyginus su c.

Ilustracijos ir pastebėjimai

Gravitacinės bangos — tai erdvėlaikio kreivumo banguotumas, kurį sukelia laikiniai masių ir energijos pokyčiai. Jas numatė Einšteinas ir tiesiogiai užfiksavo LIGO/Virgo eksperimentai. Tai patvirtina lauko (erdvėlaikio) dinaminį pobūdį.

Empiriniai tikrinimai: pagrindiniai Einšteino teorijos patvirtinimai — Merkurijaus perihelios precesija, šviesos lūžimas aplink Saulę, gravitacinis raudonėjimas, laiko dilatacija gravitaciniame lauke, taip pat tiesioginiai gravitacinių bangų stebėjimai. GPS palydovų navigacija taip pat rodo, kad reikia atsižvelgti į reliatyvistines laiko korekcijas, kurios kyla dėl Žemės gravitacinio potencialo ir palydovų greičio.

Praktinė reikšmė ir matavimai

Gravitacinio lauko stiprumas dažnai matuojamas per pagreitį (g ≈ 9.81 m/s² prie Žemės paviršiaus). Potencialas matuojamas energija vienai masės vienetui (J/kg). Tiriant lauko erdvinius kitimus, matuojamos ir tidalinių jėgų poveikio skirtumai, kurie svarbūs jūrų lygiui, pluto slinkimui ir dirvožemio deformacijoms Estetinėms ar inžinerinėms taikymo sritims.

Santrauka

Gravitacinis laukas — tai patogus ir empiriškai galingas modelis, leidžiantis aprašyti, kaip masyvūs kūnai veikia kitus kūnus. Klasikinis Niutono lauko aprašymas gerai veikia daugeliu kasdienių atvejų, o Einšteino bendroji reliatyvumo teorija praplečia supratimą, rodydama, kad gravitacija yra erdvėlaikio kreivumo reiškinys. Šiuolaikinė fizika apjungia abu požiūrius: Niutono formulės yra reliatyvumo teorijos ribinis atvejis, o sunkesnėms situacijoms (stiprūs laukai, dideli greičiai, difrakcija gravitacinėse bangose) būtina naudoti Einšteino lygčių aprašymą.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra gravitacinis laukas?

Klausimas: Kas pirmasis pasiūlė gravitacijos kaip taškinės traukos idėją?

K: Kaip Einšteino bendroji reliatyvumo teorija pakeitė mūsų supratimą apie gravitaciją?

Klausimas: Ar egzistuoja gravitacinė jėga?

K: Kas yra gravitacinės bangos?

K: Kaip Laplasas bandė modeliuoti gravitaciją?

K: Kaip pagal šį modelį juda materija?

Paieška pagal raidę