Гравитационные измерения

Формирование идей о гравитационном взаимодействии во Вселенной: закон гравитации Ньютона; движение планет; теория относительности Эйнштейна, гравитационная линза. Приборы для измерения гравитации; спутниковый метод изучения гравитационного поля Земли.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Развитие представлений о гравитационном взаимодействии

1.1 Формирование идей относительности и представлений о Вселенной до Ньютона

1.2 Открытие закона гравитации Ньютоном

1.3 Движение планет

1.4 Эйнштейн. Общая теория относительности. Гравитационная линза

2. Практическое использование закона гравитации

2.1 Открытие Нептуна

2.2 Определение массы небесных тел

3. Приборы для измерения гравитации

3.1 Гравитационное излучение и гравитационные волны

3.2 Спутниковый метод изучения гравитационного поля Земли, карта гравитации Земли

3.2.1 Гравитационные аномалии

3.3 Лазерные детекторы, или интерферометры (LIGO, VIRGO, GEO 600, TAMA)

3.4 Сферический детектор miniGRAIL

3.5 Резонансные детекторы, или гравитационные антенны (AURIGA, EXPLORER, NAUTILUS, ALLEGRO)

Заключение

Список используемой литературы



ВВЕДЕНИЕ

Нередко можно слышать, что современная теоретическая физика началась с ньютоновского закона тяготения. И это весьма справедливо, особенно в том, что касается целей и методов современной физики: описывать и объяснять различные сложные явления природы при помощи нескольких основных законов.

Гравитация - одна из основных сил природы. Она вызывает множество астрономических явлений - от океанских приливов до расширения Вселенной. Ньютон описал гравитацию при помощи простого закона обратной пропорциональности квадрату расстояния. Эйнштейн увидел в ней нечто более глубокое, связывающее ее с пространством-временем.

В течение столетий развития человечества люди наблюдали явление взаимного притяжения тел и измеряли его величину; они пытались поставить это явление себе на службу, превзойти его влияние, и наконец, уже в самое последнее время рассчитывать его с чрезвычайной точностью во время первых шагов вглубь Вселенной.

Интересно поразмыслить над тем, как выглядел бы мир, не будь гравитации! Если исчезнет гравитация Земли, то ничто уже не будет связывать Землю в единый сферический объект и удерживать нас на ее поверхности. В отсутствие гравитации Солнце не притягивало бы Землю, и вместо того, чтобы обращаться вокруг Солнца, она улетела бы по прямой. Без гравитации не смогут существовать ни Солнце, ни другие звезды, ни более крупные системы, такие, как галактики. Несмотря на эту важную роль, гравитация по-прежнему окутана тайной.

Когда та или иная отрасль науки, будучи, несомненно, актуальной, не имеет достаточно солидного опытного фундамента, то в ее развитии начинают проглядывать элементы формального теоретизирования. В некоторой степени не избежала этого и современная теория гравитации: стоит только указать на многочисленные варианты «единых теорий», из которых отнюдь не все выдержат проверку временем. Поэтому критический анализ различных теорий, связанных с тяготением, в настоящий момент особенно актуален.

Среди нерешенных проблем гравитации проблема гравитационных волн привлекает к себе наибольшее внимание физиков, теоретиков и экспериментаторов. Это объясняется тем, что она тесно связана с другими нерешенными проблемами науки о тяготении (проблемой энергии, проблемой построения квантовой гравидинамики и т. д.), и ее решение в теоретическом и экспериментальном планах стимулировало быт исследование многих других задач гравитации.

Проблема теоретического описания гравитационных волн, тесно связанная с задачами их экспериментального исследования, стала одной из наиболее актуальных и интересных проблем не только гравитации, но и современной физики вообще. Возникшая почти одновременно с созданием теории тяготения Эйнштейна (первый анализ этой проблемы был проведен самим Эйнштейном в 1916--1918гг.), она и в настоящее время не имеет еще вполне удовлетворительного решения. За последние полтора десятилетия (примерно с 1957 г.) интерес к ней существенно возрос благодаря разработке нового мощного математического аппарата -- классификации полей тяготения Петрова, давшей начало ряду новых подходов к решению проблемы в теоретическом плане.

С другой стороны, достигнутый в последние годы прогресс эксперимента, в частности опыты Вебера, открывает перспективы лабораторного детектирования гравитационных волн.



1. Развитие представлений о гравитационном взаимодействии

1.1 Формирование идей относительности и представлений о Вселенной до Ньютона

Иногда отцом физики называют Аристотеля (384--322 гг. до н. э.). Говоря современным языком, физика -- это наука об основных закономерностях («первичных причинах» по Аристотелю), принципах («первых началах») природы и ее «элементах». Метод познания Аристотеля сильно отличается от современного. Его книга «Физика» является, скорее, философским трактатом, чем руководством по естествознанию. Аристотель признавал объективное существование материи. Для того чтобы вещь стала реальностью, она должна получить форму. Форма обладает энергией -- она превращает возможность в действительность. Он также отрицал пустоту. В основе динамики и космологии Аристотеля лежит концепция действующих причин, поддерживающих всякое движение. Так, радиальные движения (Земля считалась центром Вселенной) трактовались как абсолютные. В результате таких движений изменялись состояния тел и их роль в мировой гармонии. В противоположность им относительные движения (круги вокруг центра мироздания -- Земли) согласно Аристотелю не меняли статической гармонии центра и сфер.

Представления Аристотеля о геоцентрической Вселенной резко отличались от первых идей гелиоцентрической системы мира Аристарха (IV -- III вв. до н. э.). В средние века учение Аристотеля было канонизировано церковью и, как известно, на некотором этапе развития науки превратилось в существенное препятствие для развития физики и астрономии. Однако нельзя впадать в противоположную крайность и отказываться от рациональных сторон учения Аристотеля. В 1543 г. вышла в свет книга Николая Коперника «О вращениях небесных сфер». Изложенное в ней новое учение о мироздании неизбежно подводило также к новым представлениям об относительности движения, к физическому релятивизму. Коперник писал:

«Так, при движении корабля в тихую погоду все находящееся вне его представляется мореплавателям движущимся, как бы отражая движение корабля, а сами наблюдатели, наоборот, считают себя в покое со всем с ними находящимся. Это же, без сомнения, может происходить и при движении Земли, так что мы думаем, будто вокруг нее вращается вся Вселенная».

Эти идеи Коперника затем были развиты Галилеем. Джордано Бруно (1548--1600) развивал учение Коперника с философских позиций. Он резко критиковал учение Аристотеля и Птолемея, фактически развивая при этом философию Демокрита и Эпикура. Он выступал против аристотелевской концепции конечности Вселенной, идеи о противоположности земного и небесного, против утверждения о наличии абсолютно неподвижного центра Вселенной. В учении об относительности движения и покоя Бруно солидаризуется с Николаем Кузанским, сочинения которого были известны Копернику.

В ходе борьбы за учение Коперника Галилео Галилей (1564--1642) выдвинул свой принцип относительности. В качестве доказательства он приводил наблюдения над движениями в закрытой каюте неподвижного и движущегося кораблей. Это описание наблюдений можно найти в его книге «Диалог о двух главнейших системах мира -- птолемеевой и коперниковой»: «Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту или иную сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно...».

В этом высказывании содержится важнейший физический принцип -- принцип относительности Галилея. Никаким механическим опытом нельзя установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно. Всякие движения в обеих системах отсчета протекают совершенно одинаково. Альберт Эйнштейн неоднократно обращался к научному наследию Галилея. В частности, он обращал внимание на удивительное внутреннее сходство ролей Фарадея и Максвелла в одну эпоху и ролей Галилея и Ньютона в XVII в. Первый в каждой паре качественно выявлял закономерности, а второй их точно формулировал и применял количественно.

1.2 Открытие закона гравитации Ньютоном

Открытие закона всемирного тяготения стало возможным лишь в итоге развития цепочки идей. Существенный шаг в понимании тяготения был сделан в учении Коперника, согласно которому тяжесть существует не только на Земле, но и на других небесных телах. Далее необходимо было избавиться от заблуждения, будто скорость падения тел зависит от их массы.

Известно, что наблюдения Галилея за падением тел с Пизанской башни были начаты примерно в 1589 г. Важную роль сыграли работы Иоганна Кеплера. В 1596 г. вышла его первая научная работа «Космографическая тайна», в которой он начал поиск числовых закономерностей в характеристиках орбит планет Солнечной системы. В 1602 г. Кеплер пришел к открытию второго закона движения планет (площади, описываемые радиус-векторами Солнце--планета в равные промежутки времени, равны между собой). А в 1605 г. Кеплер открыл закон, названный впоследствии первым (Солнце находится в фокусе эллиптических орбит).

Ряд авторов утверждают, что Нью...