Проявления сил тяготения

На сегодняшний день подразделяют несколько классов сил, как мер определенных видов взаимодействий, в том числе силы тяготения, силовые (сильные) взаимодействия, слабые и электромагнитные взаимодействия.

Силы тяготения

Силы взаимного притяжения, действующие между материальными телами.

Виды взаимодействий

Понимание качественных отличий различных типов взаимодействий между отдельными объектами природы дает ключ к пониманию первооснов структуры вселенной.

Выяснено, что силовые взаимодействия в 137 раз сильнее электромагнитных, 1014 слабых, и в 1039 сил тяжести. Заметим также, что силовые взаимодействия являются доминирующими во взаимодействиях между частицами ядра атома, которые обусловливают уплотнения ядерного вещества до 1018 кг / м3.

Однако эти силы очень короткодействующие и ими можно пренебречь уже в объемах молекул, где расстояния между ядрами 10-10 м. Слабые взаимодействия также относятся к короткодействующим.

В определенных пределах макрообразований из атомов и молекул решающую роль играют электромагнитные силы. Их примечательными образованиями являются кристаллические решетки твердых тел, эти силы обусловливают плотность веществ в целом, например, железа - 7,8 · 103 кг / м3, платины - 21,4 · 103 кг / м3 и т. д.

Особенность больших сил притяжения в космосе

В макрообразованиях же больших масс становятся доминирующими силы притяжения благодаря двум факторам. Силы притяжения, как и электрические, являются далеко действующими, то есть медленно изменяются с увеличением расстояния.

Однако электрические силы имеют разные знаки: электроны притягиваются к протонам, но отталкиваются от электронов.

В системе с одинаковым количеством положительных и отрицательных частиц эти силы были бы почти скомпенсированы. Силы же притяжения – это только силы притяжения, и поэтому с увеличением количества частиц в системе они соответственно растут.

Расчеты показывают, что если бы масса холодного тела увеличилась до массы Солнца = 2 ·1030 кг, то силы притяжения обусловили бы уплотнения тела к плотности 109 кг / м3. В будущем до такого состояния должно прийти Солнце. Сейчас оно имеет высокую температуру, поэтому его плотность значительно меньше.
Кроме того возможны конечные состояния звезд, масса которых еще больше.

Чем больше масса, тем большими будут силы притяжения, тем больше сжатие звезды.

В результате растет энергия электронов, противодействующая сжатию тела. Расчеты показывают, что при плотности 1010 кг / м3 энергия электронов становится такой, что они могут вступать в ядерные реакции, превращая протоны в нейтроны. Так было предсказано, а позже открыто нейтронные звезды – пульсары.

Черные дыры

Новое качественное состояние звезды возникает при массе, превышающей три (по некоторым расчетам – десять) массы Солнца. Согласно общей теории относительности их поле притяжения удерживает фотоны излучения. Образуются так называемые черные дыры.

Как можно выявить черную дыру?
Во-первых, ее можно было бы обнаружить по наблюдениям светящейся ракеты при приближении к дыре. Движение светящегося маяка было бы очень ускоренным, возникало значительное красное смещение его спектра и происходил бы спад интенсивности излучения к нулю. Во-вторых, дыру можно обнаружить по ее влиянию на соседние космические тела – по возмущениям, изменениям момента импульса соседей (когда черная дыра вращается, то она захватывает во вращение соседние тела).

По последним наблюдениям к черным дырам относят новооткрытую звезду Лебедь Х-1.

Стоит заметить, что на возможность существования черных дыр указывал еще французский ученый П. С. Лаплас (1749-1827). В своих рассуждениях об излучении света в поле тяготения он опирался на условие выхода пробного тела массой $m$ с поверхности опорного тела массой $М$ за пределы его гравитационного притяжения. Для этого пробное тело должно иметь энергию, достаточную для выполнения соответствующей работы выхода:

$\frac{m{{v}^{2}}}{2}\ge \int\limits_{R}^{\infty }{\gamma \frac{mM}{{{r}^{2}}}}dr$

$\frac{{{v}^{2}}}{2}\ge \gamma \frac{M}{R}$

где $R$ – радиус опорного тела.

Из предположения, что данное соотношение справедливо также для света ($v = с$), можно было сделать следующий вывод: если масса объекта сосредоточена в объеме радиусом, меньше так называемого гравитационного радиуса

${{R}_{g}}\le 2\gamma \frac{M}{{{c}^{2}}}$

то даже излучаемый свет не выйдет за пределы такого тела.

По расчетам для Солнца $Rg$ составляет 3 км, а для Земли ~ 1 см.

Космическое тело, сжатое до размеров своего гравитационного радиуса, назвали черной дырой, а поверхность, ограничивающую область, откуда невозможен выход сигналов – горизонтом событий.

Вам нужно срочно заказать статью по физике для публикации? Обратитесь за помощью к нашим экспертам!

Тест по теме «Проявления сил тяготения»