Гравитационное поле

В конце 20-х годов астроном Хаббл, основываясь на принципе Доплера, пришел к сенсационному открытию: галактики удаляются от нас со скоростями, пропорциональными расстояниям до них. Если экстраполировать эту ситуацию назад в прошлое, то здравый смысл подсказывает, что продолжать ее можно до той эпохи, когда вселенная была сжата в точечноподобное пространство.

Именно в эту эпоху, по-видимому, и возникла наблюдаемая вселенная. Причем возникла она в чудовищном взрыве. Согласно оценкам было это 10-15 миллиардов лет назад. Вся сложная и многообразная картина эволюции вселенной не может быть объяснена без привлечения фундаментального закона всемирного тяготения, описывающего гравитационное взаимодействие галактик, звезд и других космических объектов.

Масса, входящая в закон всемирного тяготения, получила название гравитационной, в отличие от инертной массы, определяемой вторым законом Ньютона.

Весь наш опыт и очень точные измерения показывают, что гравитационная и инертная массы равны. Это равенство носит название принципа эквивалентности.

Наряду с гравитационным взаимодействием заряженные тела могут испытывать намного более сильные взаимодействия – электростатические. В обоих случаях радиус взаимодействия бесконечен.

Физикам известны еще два типа взаимодействия:

  • Сильное.
  • Слабое.

Их влияние проявляется на расстоянии порядка размеров атомного ядра. Взаимодействие осуществляется через обменные частицы. Для слабого взаимодействия обменной частицей является W-бозон.

Для сильного взаимодействия пион.

Для электромагнитного взаимодействия фотон. Для гравитационного взаимодействия обменной частицей является пока еще гипотетический гравитон. Гравитационное взаимодействие совершенно незаметно на фоне трех первых. Но чем больше массы, тем сильнее и гравитационное взаимодействие.

Согласно Ньютону тяготение действует мгновенно. Эйнштейн положил в основу общей теории относительности предположение, что гравитационное поле распространяется со скоростью света. Согласно известной его формуле фотон обладает не только энергией, но и массой.

Поэтому можно было ожидать, что гравитационное поле влияет на распространение света.

И действительно, наблюдения, проведенные во время солнечного затмения, подтвердили, что кажущееся положение звезды не совпадает с истинным. Вселенную можно назвать лабораторией, где эффекты, предсказанные общей теорией относительности, проявляются в полной мере.

Когда в массивной звезде в результате излучения исчерпывается ядерное горючее, происходит быстрое сжатие космического тела под действием гравитационных сил. Звезда коллапсирует. Сильная ударная волна срывает и рассеивает большую часть массы. Все что остается – это сверхновая. Одна из таких сверхновых была зафиксирована китайскими астрономами в 11 веке.

Черная дыра

Если вторая космическая скорость на сколлапсировавшейся звезде сравнится со скоростью света, то ни один фотон не сможет покинуть ее. Такую звезду называют черной дырой, а ее сферу – сферой Шварцшильда или горизонтом событий.

Все, что находится внутри горизонта событий, недоступно взору внешнего наблюдателя. Гравитационный потенциал обычной звезды образует потенциальную яму конечной глубины. Для материальной точки потенциальная яма бесконечно глубокая, а для черной дыры потенциал обращается в бесконечность, когда расстояние до ее центра будет равно гравитационному радиусу.

При приближении к гравитационному радиусу гравитационная сила стремится к бесконечности, а тем временем замедляется.

А может ли черная дыра излучать? Захват газа от соседней звезды образует вокруг черной дыры аккреционный диск и узкий пучок электронов и магнитных полей – внутренние выбросы. Эти выбросы сопровождаются мощным рентгеновским излучением, которое может быть зарегистрировано на Земле.

Такие наблюдения стали возможными после создания межконтинентальных радиотелескопов с большим разрешением. В квантовой теории вакуум – это рой частиц и античастиц, которые непрерывно рождаются и анигилируют. Поле тяготения черной дыры воздействует на такие виртуальные пары, и может приводить к качественно разным результатам:

  1. Первый результат – пары падают в черную дыру.
  2. Пары аннигилируют как обычно.
  3. Одна из частиц падает в черную дыру, другая нет.

Удаленный наблюдатель воспринимает этот факт так, будто эту частицу поразила черная дыра. Ученые предполагают, что в космосе могут существовать малые первичные, массивные и сверхмассивные черные дыры. Первые могли бы возникнуть в результате коллапса неоднородностей сверхплотного вещества на ранних стадиях эволюции вселенной. Вторые можно рассматривать как возможные источники энергии ядер активных галактик и квазаров.

Предстоит еще выяснить немало вопросов о природе гравитации. И нет сомнения, что как теоретические, так и экспериментальные исследования в этой области принесут богатые и интересные результаты.