Main menu:

Гравитационное поле

В XIX в. физики разработали новый подход к ньютоновской теории тяготения. ОниМайкл Фарадей перенесли свое внимание с тел, обусловливающих гравитационное ускорение, на пространство между телами. По мнению Рудольфа Арнхейма, специалиста в области психологии искусства, этот шаг ознаменовал переход к новому восприятию, аналогичный переходу в живописи от «резкого разграничения переднего и заднего планов», характерного для эпохи, предшествующей Ренессансу, к «непрерывному распределению форм и цветовых оттенков» в живописи, возникшей после эпохи Ренессанса. (Например, в композиции картин современного нидерландского художника М. К. Эшера изображение и фон одинаково важны.)

Переключение внимания с тел на пространство между ними впервые произошло, когда физики занялись изучением электромагнетизма. Начало этому положил выдающийся физик-экспериментатор Майкл Фарадей (1791 - 1867), а Джеймс Клерк Максвелл (1831 -1879) сформулировал идеи Фа радея на языке математики. Вот как Максвелл описывал способ мышления Фарадея:

Мысленно Фарадей видел силовые линии, пересекающие все пространство, там, где другие видели лишь силовые центры, притягивающие на расстоянии; Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния; Фарадей искал суть явлений в реальном взаимодействии со средой, тогда как их вполне удовлетворяло действие силы на расстоянии и представление об электрической жидкости.

Теория Ньютона в том виде, в каком мы ее рассматривали, представляет собой теорию частиц и их взаимодействий. При новом подходе она становится теорией, в которой частицы и создаваемые ими гравитационные поля играют одинаково важную и взаимодополняющую роль. Частицы служат источником гравитационных полей, которые в свою очередь действуют на частицы. Частицы не взаимодействуют друг с другом непосредственно и на расстоянии, как предполагал Ньютон: каждая частица испытывает ускорение в результате действия на нее гравитационного поля в той точке, где она находится. Теория поля отвергает действие на расстоянии и Пустоту заменяет Средой.

Хотя с математической точки зрения оба подхода эквивалентны, в дальнейшем мы убедимся, что концепция поля не только предпочтительнее в эстетическом отношении, но и дает ряд практических преимуществ. Более того, она послужила необходимой основой для эйнштейновской теории гравитации. В этой теории поле играет основную роль, а частицы - вспомогательную.

Гравитационное ускорение в любой точке пространства направлено вдоль силовой линии, проходящей через эту точку. При взаимодействии двух точечных масс в ближайшей окрестности каждой из точек расположение силовых линий почти равномерно и радиально.

Используя концепцию гравитационного поля, мы можем легко доказать теорему, которая в свое время доставила Ньютону много хлопот. Рассматривая вопрос о притяжении яблока и Луны к Земле, Ньютон предполагал, что Земля притягивает оба тела так, как если бы вся земная масса была сосредоточена в центре Земли. Справедливо ли это предположение? Рассмотрим внешнее гравитационное поле идеализированной, абсолютно сферической Земли. Поскольку распределение массы в этом случае сферически-симметрично (это значит, что все точки, удаленные от центра симметрии на равное расстояние, равноправны), силовые линии вне Земли должны быть направлены строго по радиусу, а точки, в которых они «протыкают» поверхность Земли, должны быть распределены по ее поверхности равномерно. Более того, согласно третьему из вышеуказанных правил, число силовых линий, пронизывающих поверхность Земли, должно соответствовать массе, заключенной внутри ее поверхности. Таким образом, невозможно отличить гравитационное поле точечной массы от внешнего поля сферически-симметричного шара той же массы. Это и есть теорема, которую Ньютон хотел доказать.

Столь же просто доказать и еще одну теорему, относящуюся к сферически-симметричному распределению масс: гравитационная сила, действующая на частицу, находящуюся в любой точке внутри однородной сферической оболочки, равна нулю. Используя те же самые аргументы, мы придем к выводу, что, поскольку распределение массы сферически-симметрично, то силовые линии оболочки должны быть направлены вдоль радиуса. Если гравитационное ускорение и сила не были бы равны нулю, то эти линии должны были пересечься в центре, что невозможно, поскольку в центре нет массы. Следовательно, внутри оболочки поле равно нулю.

Эта теорема имеет важные космологические последствия. Астрономы обнаруживают массу во Вселенной двумя основными способами: непосредственно регистрируя излучение от массивных объектов, прежде всего от звезд, а также по эффектам, обусловленным гравитационным полем. Первый способ применим не всегда, поскольку во Вселенной даже достаточно большие массы могут быть невидимы. Например, это могут быть звезды, исчерпавшие запасы ядерной энергии и настолько слабые, что обнаружить их не удается даже с помощью самых чувствительных приемников излучения. Второй метод, вообще говоря, более достоверен, однако и его возможности ограничены: на движение звезд, например в звездных системах, не влияет невидимое вещество, распределенное в виде сферической оболочки (гало) вокруг системы.

Полученные в последнее время данные позволяют предположить, что значительная, если не основная, часть массы Вселенной сосредоточена в невидимых гало галактик. Если учесть вклад невидимой массы, то прежние оценки масс галактик и средней плотности Вселенной придется повысить, быть может, раз в десять.

Французский философ Анри Бергсон как-то сказал: «Ньютоновская физика спустилась с Небес на Землю по наклонной плоскости Галилея».