Гравитация - геометрическая невидимка в мире физики

Гравитация (от лат. gravitas - тяжесть) универсальное взаимодействие между любыми видами материи. Согласно теории тяготения А. Эйнштейна гравитационное поле является проявлением искривления четырехмерного пространства-времени (пространства). Искривление пространства зависит от распределения в нем тел и происходит пропорционально их массам. Чем больше масса тела, тем больший объем пространства искривляется. Представим себе упругую плоскую горизонтальную поверхность, на которую поместим определенный груз. Под действием груза поверхность прогнется (искривится). Если мы снимем груз и поместим на поверхность другой груз большей массы, то заметим, что поверхность искривиться больше, чем в первый раз.


Проделывая этот опыт, можно также убедится в равенстве сил действия и противодействия. Упругая поверхность будет прогибаться до тех пор, пока упругие силы со стороны поверхности не будут равны силе действия груза на поверхность. При равенстве этих сил движение груза прекратится, упругая поверхность прогибаться больше не будет.


В приведенном примере под действием груза искривлялась упругая поверхность. Искривление же пространства происходит значительно сложнее, но, тем не менее, закон равенства сил действия и противодействия присутствует и в данном случае.


Предположим теперь, что в не искривленную область пространства помещено тело. Пространство вокруг тела начнет искривляться, искривление будет продолжаться до тех пор пока силы, действующие со стороны искривленного пространства на тело, не будут уравновешены силами, действующими со стороны тела на пространство. Тело действует на пространство, искривляя его, искривленное пространство действует на тело, сжимая его. Другими словами, находящееся в пространстве тело искривляет некоторый объем пространства, расположенный вокруг тела. Форма объема искривленного пространства повторяет форму тела являющегося причинной данного искривления пространства. Так, если тело имеет форму шара, то объем искривленного пространства будет иметь сферическую форму. Искривленный объем пространства данным телом назовем гравитационной ямой этого тела.


Искривление пространства во всем объеме гравитационной ямы происходит не одинаково. Искривление пространства будет наибольшим (а радиус кривизны – наименьшим) у поверхности тела, постепенно уменьшаясь с ростом расстояния от тела; при этом радиус кривизны будет расти, стремясь к бесконечности, по мере удаления от тела. На значительном удалении от тела, за пределами гравитационной ямы, искривление пространства массой данного тела будет отсутствовать.


Однако не только масса тел влияет на искривление пространства. На искривление пространства оказывает влияние также вращение тела вокруг собственной оси. Поскольку действие искривленного пространства на тело выражается в определенном его давлении на поверхность тела, то при вращении тела вокруг собственной оси, вместе с телом, и в ту же сторону, будет вращаться и вся гравитационная яма.
Рассмотрим подробнее искривление пространства за счет вращения тела вокруг собственной оси на примере нашей планеты.


При вращении Земли вокруг собственной оси за 24 часа, скорость движения на экваторе составляет более 1500 км/час. Чем ближе к полюсу, тем скорость меньше. Тем не менее, скорость вращения мы практически не ощущаем, хотя и видим смену дня и ночи. Это происходит потому, что вместе с Землей вращается и окружающая ее атмосфера. Иначе на нашей планете были бы постоянные воздушные вихри и ветра. Но вместе с Землей вращается не только ее атмосфера, но и искривленное Землей пространство. Так как действие искривленного пространства на Землю выражается в определенном его давлении на поверхность Земли, то при вращении Земли вокруг собственной оси, вместе с Землей в ту же сторону, вращается вся гравитационная яма.


Вращение гравитационной ямы осуществляется следующим образом. Области гравитационной ямы, граничащие с поверхностью Земли, вращаются с такой же скоростью, как и сама Земля. Вращательное движение гравитационной ямы захватывает как слои, находящиеся у поверхности Земли, так и ее периферийные слои.


Известно, что передача любого действия в пространстве происходит не мгновенно, а с конечной скоростью – скоростью света. Поэтому области пространства, находящиеся на периферии гравитационной ямы будут иметь некоторое запаздывание во вращении по сравнению с областями пространства находящимися у границ тела. В результате этого возникает «эффект скручивания» гравитационной ямы в сторону ее вращения.


Данный эффект был предсказан в 1918 году австрийскими физиками Й. Ленсе и Х. Тиррингом, которые основывались в своей работе на общей теории относительности А. Эйнштейна.


К проведению эксперимента с целью подтверждения данного эффекта физики готовились давно. Так, специалисты NASA и Стэнфордского университета планировали проведение эксперимента, который бы мог подтвердить эффект Ленса-Тирринга, еще с начала 1960-х годов. Однако технические и финансовые проблемы до сих пор не позволяли осуществить задуманное.


И вот пришло сообщение, что итальянским физиком Игнацио Кьюфолини из университета Lecce и Эрикосом Павлисом из центра JCEST в Балтиморе удалось зафиксировать аналогичный эффект, используя данные с двух спутников NASA Lageos, запущенных в 1976 и 1992 гг. И. Кьюфолини предположил, что спутники также подвержены эффекту Ленса-Тирринга. Проанализировав данные за 11 лет пребывания спутников на орбите, ученые зафиксировали, что эти объекты смещаются по орбите каждый год примерно на два метра в силу того, что сама структура околоземного пространства закручивается в направлении вращения планеты.


Экспериментальное подтверждение эффекта Ленса-Тирринга в свою очередь подтверждает факт вращения искривленного пространства (земной гравитационной ямы) вместе с Землей. Смещение на орбите искусственных спутников Lageos около двух метров накапливалось в течение года при каждом обороте Земли вокруг собственной оси. Такое суммирование смещения спутников по орбите возможно только при вращении самой гравитационной ямы. Факт вращения гравитационной ямы вместе с телом является ключом к раскрытию природы гравитационного взаимодействия различных тел, объясняя как сближение тел, так и их отталкивание.


Еще один результат можно получить на основе проведенного эксперимента. В процессе скручивания гравитационной ямы происходит не что иное, как передача гравитационного взаимодействия. Как известно скорость передачи гравитационного взаимодействия равняется скорости света. Имея значения характеристик полета искусственных спутников можно определить скорость передачи гравитационного взаимодействия.


Экспериментальное подтверждение эффекта Ленса-Тирринга является еще одним шагом на трудном пути познания окружающего нас мира.


В. Петров