gravitãcija (lot. gravitas – sunkumas), visúotinė traukà, traukà, viena iš keturių pagrindinių sąveikos rūšių, nulemta sąveikaujančiųjų kūnų masės, jų pasiskirstymo ir judėjimo erdvėje. Gravitacijos klasikinės teorijos pagrindas yra 1687 paskelbtas I. Newtono visuotinės traukos dėsnis, kuris teigia, kad bet kurie du materialieji taškai veikia (traukia) vienas kitą jėga, proporcinga jų masėms ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui: F 12 = G m 1 m 2 r 12 3 r 12 {bold{italic{F}}}_{nbold{12}}`=`-G { m_{1} m_{2}} over { r_{12}^{3}} {bold{italic{r}}}_{nbold{12}} ; čia r12 – spindulys vektorius, jungiantis antrąjį materialųjį tašką su pirmuoju, F12 – jėga, kuria antrasis m2 masės taškas veikia pirmąjį m1 masės tašką, G = (6,67259 + 0,00085)·10–11 N·m2/kg2 – gravitacijos konstanta. Newtono traukos dėsnis gali būti užrašomas ir kitu pavidalu: F12 = –m1 gradφ, φ = –G m 2 r { m_{2}} over {r} ; čia φ – m2 masės taškinės dalelės sukurtas gravitacijos lauko potencialas (Newtono potencialas) nuotoliu r nuo masės m2. Newtono potencialo išraiška tinka kūnams, kurių matmenys daug mažesni už atstumą tarp jų. Bendruoju atveju erdvėje pasiskirsčiusiai masei gravitacijos lauko potencialas taškuose, kuriuose masės tankis yra ρ(r), tenkina Poissono lygtį: Δφ = 4π(r); čia Δ = 2 x 2 + 2 y 2 + 2 z 2 { ∂^{2}} over {∂ x^{2}}`+` { ∂^{2}} over {∂ y^{2}}`+` { ∂^{2}} over {∂ z^{2}} yra Laplace’o operatorius. Newtono potencialą nusakanti Poissono lygtis kartu su gravitacijos lauke esančio bandomojo kūno pagreitį nusakančiomis judėjimo lygtimis d 2 r d t 2 { nitalic{d}^{2}r} over {nitalic{d} t^{2}}  = –gradφ sudaro klasikinio (Newtono) gravitacijos lauko teorijos pagrindą. Iš jų išplaukia, kad bet kokios masės kūnai tiriamajame gravitacijos lauke juda vienodu pagreičiu. Šią išvadą patvirtino I. Newtonas, vėliau Lorándas Eötvösas (1890), R. H. Dickas (1961), Vladimiras Braginskis (1970) – jie nustatė, kad kūno inercinė masė mi (apibūdinama antruoju Newtono dėsniu) ir gravitacinė masė mg (apibūdinama Newtono visuotinės traukos dėsniu) yra proporcingos (proporcingumo koeficientas – universali konstanta). Kūno, kurio masės pasiskirstymas atitinka sferos simetriją, išorėje kuriamo gravitacijos lauko (Newtono) potencialas lygus materialiojo taško, esančio to kūno masės centre ir turinčio masę, lygią visų kūną sudarančių dalių masių sumai, gravitacijos potencialui. Newtono gravitacijos teorija gana tiksliai nusako daugelį gravitacijos nulemtų reiškinių, bet turi ir svarbių trūkumų: gravitacijos lauko potencialas, tenkinantis Poissono lygtį, apibrėžia gravitacinės sąveikos perdavimą kitiems kūnams begaliniu greičiu, todėl šios teorijos gravitacijos lauko lygtys neinvariantinės Lorentzo transformacijų atžvilgiu ir netenkina apibendrintojo (A. Einsteino) reliatyvumo principo. Yra reiškinių (šviesos spindulių nuokrypis nuo tiesaus kelio jiems sklindant šalia didelės masės kūnų, pvz., Saulės, gravitacinio lęšio efektai, t. p. žvaigždžių spektro linijų raudonasis poslinkis, radijo signalų vėlavimas gravitacijos lauke), kurių neįmanoma paaiškinti remiantis Newtono gravitacijos teorija. Šių reiškinių buvimą numato 1916 sukurta nauja – Einsteino – gravitacijos teorija, suderinta su apibendrintuoju reliatyvumo principu, todėl vadinama bendrąja reliatyvumo teorija. Matematiniu požiūriu Einsteino gravitacijos teorijos pagrindą sudaro šie teiginiai: erdvėlaikis yra keturmatė Riemanno erdvė, kurios geometriją (erdvėlaikio iškreivinimą) nusako toje erdvėje esantys gravitacijos lauką kuriantys kūnai ir jų judėjimas. Gravitacinė sąveika nusakoma ne įprastine jėgos sąvoka, bet erdvėlaikio iškreivinimu. Erdvėlaikio metrinį tenzorių gµν, apibrėžiantį be galo artimų erdvėlaikio taškų atstumą dl2 (kai gravitacijos nėra, gµν yra konstantos) nusako gravitacijos lauko Einsteino lygčių, kurios yra netiesinės antrosios eilės dalinių išvestinių lygtys, sprendinys, kai žinomas masės pasiskirstymas ir jos judėjimas. Gravitacinėmis jėgomis sąveikaujančių kūnų judėjimui nusakyti pakanka tik Einsteino lygčių. Kai gravitacijos laukai silpni ir kūnų judėjimo greitis v, palyginti su šviesos greičiu c, mažas (v/c<<1), Einsteino gravitacijos lauko lygtys virsta Newtono gravitacijos lauko lygtimis (Poissono lygtimi ir judėjimo lygtimis). Jei gravitacijos laukas stiprus ar greičiai reliatyvistiniai (v/c ≈ 1), atitinkami astronominiai ir fizikiniai reiškiniai aiškinami remiantis Einsteino gravitacijos teorija. Teoriškai nusakomas juodųjų skylių, gravitacinių bangų, gravitonų buvimas, erdvėlaikio horizontai ir kita. Silpno gravitacijos lauko Einsteino lygtys yra tokio pavidalo: ▯hµν = 0; čia ▯ – d’Alembert’o diferencialinis operatorius, hµν – mažieji nuokrypiai nuo plokščiojo erdvėlaikio metrinio tenzoriaus. Šios lygtys rodo, kad gravitaciniai trikdžiai sklinda baigtiniu (šviesos) greičiu (gravitacinės bangos) kaip ir elektrodinaminiai. Einsteino gravitacijos teorija yra nekvantinė. Nuosekli kvantinė gravitacijos teorija dar nesukurta, bet taikant kvantinės lauko teorijos principus nustatyta, kad gravitacinės bangos panašiai kaip elektromagnetinės bangos yra tam tikrų kvantų – gravitonų – srautas. Gravitonas neturi rimties masės ir elektros krūvio, o jo sukinys, išreikštas h/2π (h – Plancko konstanta) vienetais, lygus 2. Dažnai gravitacijos kvantiniai efektai gana silpni, todėl tinka nekvantinė Einsteino gravitacijos teorija, bet jei gravitacijos laukas labai stiprus, pvz., gravitacinio kolapso sąlygomis, kvantiniai gravitacijos efektai gali būti lemiami.

1257

Papildoma informacija
Turinys
Bendra informacija
Straipsnio informacija
Autorius (-iai)
Redaktorius (-iai)
Publikuota
Redaguota
Siūlykite savo nuotrauką