Гравитация и человек

Реферат: Гравитация

КОЕ – ЧТО О ГРАВИТАЦИИ И АНТИГРАВИТАЦИИ.

Прежде чем перейти к сути вопроса, хочу предупредить, что я – не физик, не математик и вообще в данный момент не занимаюсь ни какой научной деятельностью. Более того, я уже хорошо подзабыл тот материал из курса физики и математики, что мне давали в школе и институте. Но помнить всю жизнь формулы и выкладки меня ни кто не заставлял, а суть у меня в голове осталась. Вот на основе этих оставшихся знаний, а также своих собственных умозаключений я и пришел к некоторым выводам, возможно весьма нелепым на первый взгляд, но время покажет. Надо сказать, что мою теорию трудно, а может быть в данное время и не возможно, выразить в математических формулах, т.к. она базируется на данных, которые ещё до конца ни кем не изучены и о которых известен лишь факт их существования.

Явление гравитации до сих пор остается камнем преткновения современной физики. Существует множество теорий по этому вопросу, но ни одна из них не дает однозначного ответа на такие вопросы как:

— Что это за сила?

— Какова её природа?

— Что её порождает?

— Как от неё избавиться?

Вот в этих вопросах мы и попытаемся разобраться, используя знания курса общеобразовательной школы и воображение.

Для начала разберемся на каком уровне действуют силы гравитации. Как известно, гравитация всепроникающа и воздействует на все тела – будь то атом или молекула (воздух удерживается вокруг планеты за счет сил гравитации), или объект космических масштабов (планеты, звезды, галактики). Поскольку гравитационное взаимодействие между двумя и более телами носит обоюдный характер каким бы маленьким этот объект не был, то разумно было бы предположить, что взаимодействие осуществляется на микроуровне, т.е. на уровне элементарных частиц – молекул, атомов и их составляющих.

Вспомним строение атома. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов (рис.1), а вокруг ядра вращается отрицательно заряженные электроны. Заряды протона и электрона равны по значению и противоположны по знаку. Из курса физики следует, что электрон удерживается на своей орбите за счет сил электромагнитного притяжения к протону, а протон и нейтрон слиплись за счет каких – то мощнейших внутриядерных сил, а вот каких именно – неизвестно!

Об электронах и протонах, можно сказать, известно почти все: масса, заряд, сила их взаимодействия, а вот нейтрон остается по сей день довольно загадочным элементом. Известно, что нейтрон является самой тяжелой частицей в атоме и не приносит ни какой существенной пользы. С этой точки зрения можно сказать, что нейтрон вообще является ущербной частицей, ведь он только увеличивает массу ядра и атома в целом. Однако в природе не существует ни чего лишнего и раз внутри атома находится такая большая и тяжелая частица, то видимо она для чего – то все – таки нужна! Для чего?

Вот здесь я решусь сделать очень смелое, на мой взгляд, предположение. Давайте представим себе, что нейтрон и является источником гравитационных сил. Если существует такое понятие, как электрический заряд, то почему — бы не ввести термин гравитационного заряда и не предположить, что его носителем и является нейтрон, что именно за счет сил гравитации , порождаемых нейтроном, в ядре удерживаются вместе одноименно заряженные протоны. А раз существует заряд, то должно существовать и поле, создаваемое зарядом. Именно это поле и является причиной притяжения тел и частиц. Из курса физики известно, что сила притяжения пропорциональна массе тела, а масса, в свою очередь зависит либо от размеров тела, либо от плотности, либо от массы атома , т.е. при одинаковом объеме нескольких тел тяжелее будет то, у которого больше атомов приходится на единицу объема, а еще больше то, у которого большая масса ядер внутри атомов. Так, к примеру, радиоактивные элементы урановой группы в периодической таблице Менделеева стоят в самом конце таблицы, т.е. имеют самые тяжелые ядра, и на практике эти металлы являются самыми тяжелыми. Кроме того, заметим, что в этих металлах имеются свободные (избыточные) нейтроны.

А теперь давайте представим что следует из этой теории. Ну во – первых требует пересмотра вся теория атома, поскольку наличие гравитационного поля внутри атома приводит к тем выводам, что электрон удерживается на орбите не только за счет сил электромагнитного притяжения, но и за счет гравитационных сил. А следовательно, вычисленные математически масса и заряд электрона – не верны!

Закон кулона в первозданном виде имеет вид (рис. 2).

Где: F- сила взаимодействия между двумя телами,

e1 и e2 – заряды тел, а r – расстояние между ними

В нашем случае эта формула примет следующий вид (рис. 3).

где Fгр. – сила гравитационного притяжения электрона нейтроном .

А следовательно (рис. 4)

Видим, что результат произведения зарядов изменился, а следовательно изменилась и величина самих зарядов .

Далее подумаем над тем как можно создать противодействие силе гравитации. Один выход уже найден: создать силу, направленную в сторону противоположную направлению действия Fгр. – подъемной силы. За счет действия этой силы и летает наша авиация. Но это не есть явление антигравитации . По моему мнению, в НАШЕМ МИРЕ, т.е. в области действия наших понятий о физических законах и константах такое явление в принципе не осуществимо, но….

Обратимся опять к области физики, в которой имеются очень большие пробелы. Эта область занимается изучением антиматерии . Что нам известно об этой субстанции? Только то что она существует как таковая, и то, что она аннигилирует при соприкосновении с обычной материей. Аннигиляция сопровождается выбросом огромного количества энергии широчайшего спектра – от тепловой до радиочастотного диапазона. В лабораторных условиях частицы и антиматерии получают в микроскопических количествах. Однако существуют теории о том, что есть целые галактики, состоящие из антиматерии, что, в принципе, вполне вероятно.

Теперь определимся с тем, что понятие гравитации напрямую связано с понятием массы тела: тем больше масса – тем больше гравитационная сила. При этом как масса так и гравитация носят только положительный характер, т.е. если гравитация примет отрицательный характер, то этот феномен можно будет расценить как явление антигравитации, а следовательно при этом и масса тела будет носить отрицательный характер . На первый взгляд это понятие кажется абсурдным, но все вполне логичным, но в мире с нашими физическими законами отрицательная масса не может существовать как таковая. Однако с точки зрения логики и практики если есть плюс, то обязательно должен быть и минус, а следовательно тела с отрицательной массой в природе существовать должны!!! И это,на мой взгляд, единственный случай в теории суперпозиции полей, когда тела с разноименными зарядами (я имею ввиду гравитационные заряды нейтронов) будут не притягиваться, а отталкиваться друг от друга, а их соприкосновение приведет к перерождению потенциальной энергии разнополярности их масс в кинетическую. При таком перерождении аннулируются массы, т.е. тела исчезнут как таковые, а в результате останется только энергия перерождения. Очень похоже на аннигиляцию. Не разумно ли после этого предположить, что вещество, обладающее отрицательной массой, и есть антиматерия!!!

Я ни в одном источнике не нашел данных о том в каком состоянии получают частицы антиматерии: в состоянии покоя или подвижном. Думаю, что в подвижном, и скорости их движения хватало на то чтобы преодолеть силу отталкивания от материи и саннигилировать. С этой точки зрения можно предположить, что если разместить полученное в состоянии покоя некоторое количество вещества антиматерии внутри сферы, состоящей из обычной материи (рис. 5), то антиматерия должна будет удерживаться в центре сферы (в центре сил взаимоотталкивания) за счет действия сил антигравитации.

Возможно вся моя теория полный абсурт, но если мои доводы верны, то обуздав антиматерию мы сможем получить первые устройства, обладающие антигравитационными свойствами.

Заканчивая, хочу высказать еще одно предположение. Существование материи и антиматерии, аннигиляция, а также те выводы, которые я привел выше, привели меня к одной интересной, почти фантастической мысли: а если процесс аннигиляции обратим? Тогда вполне возможно, что все известные и неизвестные нам галактики, состоящие как из материи, так и из антиматерии в силу каких – то абсолютно немыслимых процессов произошли путем разделения энергии на материю и антиматерию, и в эту же энергию когда-нибудь вернется.

Если теория, высказанная мной, кого-то заинтересовала, то пришлите мне свой отзыв. Буду рад всем, ко захочет поделиться со мной своими мыслями по поводу высказанного мной представления о теории гравитации. Присылайте свои отзывы на ящик

Бестолковщина

(Данная статья публикуется в строгом соответствии с текстом журнала «Олимп» № 2-3 за 2003 г.)

Владлен Каневский, кандидат педагогических наук, старший научный сотрудник Лаборатории фундаментальных проблем теории физической культуры и технической подготовки Российского государственного университета физической культуры

Влияние притяжения Земли на формирование живых организмов и их силовые качества

Все живые организмы формировались в процессе эволюции в поле притяжения Земли. Сила, с которой масса Земли воздействует на каждый организм, пропорциональна прежде всего величине ускорения свободного падения g = 9,8 м/сек2.

Согласно первому закону Ньютона F = m·a. Вне сферы притяжения Земли, если ускорение a = 0, то есть тело находится в покое или равномерном движении, величина силы F = m. Но на поверхности Земли вес тел обусловлен её гравитационным притяжением и тогда вес тела P = m·g.

Когда живой организм находится под воздействием притяжения Земли, возникают проблемы перемещения по его поверхности, прежде всего для решения задач выживания. Животным необходимо добывать пищу, спасаться от преследования хищников, воздействия стихийных сил природы и обустраивать свое более или менее комфортное существование.

Для решения таких жизненно важных задач организму необходимо в различных ситуациях применять силу, источником которой является, прежде всего, мышечная масса тела любого живого организма, в том числе и человека. Величина мышечной массы не может быть беспредельной (в отличие от мнения некоторых известных людей), она ограничена, прежде всего, величиной гравитационного притяжения Земли и массой мышц в составе тела организма.

Природа формирует любой живой организм так, чтобы он мог успешно функционировать в поле земного притяжения, решая все необходимые для этого задачи. Для преодоления силы земного притяжения в центральной нервной системе природа создала особую биологическую систему, которая и формирует состав тела и величину развиваемых мышцами усилий. Эта биологическая система может быть похожа на иммунную систему организма. Абсолютная сила, развиваемая нервно-мышечной системой организма, проявляется, прежде всего, в перемещении тела в направлении противоположном притяжению Земли.

Наиболее показательное проявление такого рода перемещения — прыжок вверх. Высота прыжка вверх является интегральным показателем скоростно-силовых способностей организма. Величина силы, обеспечивающей максимальную высоту прыжка верх, соответствует величине максимальной скорости в момент отталкивания от поверхности Земли.

Но максимальная скорость отталкивания не может быть больше 9,8 м/сек, так как в момент отталкивания от поверхности Земли и при преодолении её силы притяжения ускорение центра масс равно 0. А так как ускорение является второй производной перемещения, то остается только первая производная — скорость V = 9,8 м/сек. Это максимальная скорость, которую нервно-мышечная система может обеспечить при максимальной силе мышечных сокращений. Способность к такой потенциально-максимальной силе и формируется природой в центральной нервной системе (ЦНС) организма любого животного для противодействия гравитационному притяжению Земли и её предельная величина соответствует скорости отталкивания вертикально вверх, то есть V = 9,8 м/сек.

Если организм человека или любого животного мог бы состоять на 100% из мышечной ткани, то теоретически именно такую скорость (9,8 м/сек) он смог бы развивать при прыжке вверх.

Но организм состоит не только из мышечной ткани, ещё в его состав входят скелет, кожа, жир, внутренние органы и другие компоненты, обеспечивающие физиологическое и физическое функционирование организма. Масса тела, кроме мышечной, естественно, пассивна с точки зрения непосредственного проявления силы и соответственно снижает максимальную величину силы и скорости отталкивания при прыжке вверх да и при любом перемещении тела или его частей.

Уменьшение максимальной силы и скорости отталкивания зависит от состава тела и пропорционально содержанию мышечной массы. Простые расчеты показывают, что если содержание мышечной массы тела около 50%, то максимальная скорость отталкивания при прыжке вверх не может быть больше 4,9 м/сек, а из этого следует, что максимально возможная высота прыжка вверх не может быть больше 122 см для любого животного на Земле, в том числе для человека.

В повседневной жизни человек нечасто сталкивается с такими проблемами, где требуется максимальная реализация его скоростно-силового потенциала, и весь этот потенциал, заложенный природой в биофизические системы человеческого организма, является частью его резервных возможностей.

Иначе эта проблема обстоит у диких животных в природе, где противостояние хищников и потенциальной добычи заставляет их сохранять скоростно-силовые качества на максимальном уровне.

В большей степени силовой потенциал может быть реализован при выполнении статических упражнений или медленных движений, близких к статическому режиму работы мышц. В таких случаях величины проявления силы могут быть очень большими. Известное соотношение силы и скорости — самое наглядное тому подтверждение.

Согласно данным Х.Ральстона (1949) такое соотношение выражено в виде графика на рис. 1 и получено в экспериментах на большой грудной мышце человека. Подобные результаты получены А.Хиллом (1950) в экспериментах с изолированной мышцей лягушки, которую раздражали электрическим током, измеряя при этом величины проявленной силы и скорости.

Это свидетельствует о единой природе взаимосвязи силы и скорости при работе мышц у всех живых организмов, находящихся в поле притяжения Земли. Следует также вывод, что сама физиологическая структура работы мышцы и система её управления сформировались в процессе эволюции живых организмов на Земле, прежде всего, под влиянием притяжения Земли и для противодействия этому притяжению для того, чтобы живые организмы могли успешно функционировать на поверхности Земли.

Определенным подтверждением такого вывода является такой факт, что космонавты, находящиеся длительное время на космических станциях, утрачивают необходимость в большой мышечной силе, которая необходима человеку на поверхности Земли. В результате этого у них без специальных (физических) упражнений уменьшается мышечная масса и даже масса сердца, как ненужные в условиях невесомости.

Величина развиваемой мышцами организма силы зависит от соотношения потенциальной максимальной скорости и той скорости, которую организм должен иметь для совершения каких-то действий в условиях земного притяжения и может быть определена с помощью следующего уравнения:

Vg
F = δ · Pт· —— , кг (1)

Где: F — сила, проявляемая живым организмом, кг,
δ — коэффициент содержания мышечной ткани в организме,
P т — масса живого организма, кг,
Vg — вертикальная составляющая потенциальной максимальной скорости, м/сек,
Vt — скорость перемещения организма, м/сек.

На рис. 2 представлен обобщенный график соотношения скорости и силы.

Следует обратить внимание на схожесть участка 2.1 на рис. 2 (график получен расчётным методом по уравнению 1) и рис. 1 (график по-

лучен Х.Ральстоном (1949) и А.Хиллом (1950) экспериментальным методом). Такой расчёт может быть сделан для любого организма и полученный при этом график будет индивидуальным для каждого организма.

Величины скорости и силы при таком расчете будут потенциально максимальными, но скоростные и силовые возможности организма будут ограничены определёнными пределами.

Механический предел ограничивает, прежде всего, максимальное проявление силы из-за того, что существует механический предел прочности костей, связок и сухожильной ткани. Этот предел ограничивает величину силы в статических и медленных силовых проявлениях и может быть 2000 кг и более. Теоретически согласно уравнению 1 при очень медленных скоростях величина силы может быть очень большой — 4000 кг и более, но механический предел ограничивает эту величину примерно до 2000 кг и менее.

Физиологический предел также ограничивает максимальные проявления скорости и силы и зависит от состояния здоровья организма, его генетических способностей, физической подготовленности (тренированности) и т.д.

Психологический предел в свою очередь ограничивает максимальные проявления скорости и силы в соответствии с индивидуальной психологической структурой организма. В состоянии сильного стресса возможно снятие психологического предела, и человек может показать очень большие проявления силы на уровне физиологического предела. Иногда это происходит при течении некоторых заболеваний, например, эпилепсии.

Действительные скоростно-силовые возможности организма намного меньше, чем рассчитанные по формуле 1. Обладая интеллектом, человек, используя силы природы и возможности создаваемых им механизмов, может получать величины сил, многократно превосходящие его предельную силу.

Среди биологов и антропологов есть мнение, что первобытный человек был физически намного сильнее современного человека и в этом отношении он был ближе к диким животным. Современные человекообразные обезьяны и другие животные (за исключением домашних) также превосходят человека в мышечной силе, даже имея меньший собственный вес.

Кроме отсутствия очевидной необходимости в большой мускульной силе, у человека существует и генетический фактор. В первобытную эпоху выживали, прежде всего, физически очень сильные люди и они через свои гены передавали своим потомкам такие же физические способности. В настоящее время почти все люди имеют возможность не только выжить, но и прожить достаточно долгую жизнь, несмотря на слабое физическое развитие, болезни, в том числе и наследственные, и пагубные «радости жизни». Конечно же, такие индивидуумы передают своим потомкам значительно ослабленную генетическую информацию, не способствующую их хорошему физическому развитию и существованию.

Иначе обстоит этот вопрос в природе у диких животных. Так как их интеллект ниже, чем у человека, в основном примерно одинаковый и базируется на инстинктах, то решающим фактором в получении предельных силовых проявлений является только собственный вес животного. Чем больше вес животного, тем большие силовые возможности позволяют ему противостоять другим животным в борьбе за существование между собой и с силами природы.

Особенно актуален этот вопрос для хищников и является одним из решающих в борьбе за выживание. Они вынуждены использовать свой природный скоростно-силовой потенциал практически полностью. Ну а те животные, которые родились ослабленные, заболевшие и травмированные, имеют мало шансов на жизнь.

Домашние животные значительно уступают своим диким родичам в силе, в связи с небольшой в этом необходимостью.

Как мы уже отмечали, расчёты показывают (рис. 2), что при небольших скоростях действия силы, величины силовых проявлений могут быть очень большими. В практике жизни людей имеются подтверждения таких расчетов.

Так, например, в 1912 году Оскар Валунд (Швеция) поднял спиной на ремнях платформу с грузом 2105 кг. Антон Риха (Чехия) в 1891 году перенёс на себе вес 854 кг. Пол Эндерсон (США) в 1955 году выполнил полуприседания с весом 900 кг и сделал тягу штанги до колен с весом 1600 кг. Луи Сир (Канада) выполнил становую тягу до полного выпрямления ног и спины со штангой весом 669 кг. Анри Стьернон (Франция) в 1876 году перенёс на спине два орудия общим весом 456 кг. Эти достижения были в свое время зафиксированы специалистами и свидетелями-журналистами.

В животном мире также много силовых рекордов, подтверждающих справедливость наших выводов и расчётов.

Но есть такая сфера человеческой деятельности, как спорт, где ведётся специальная работа над реализацией заложенного природой скоростно-силового потенциала с целью достижения максимальных результатов при выполнении специализированных соревновательных и тренировочных упражнений.

К числу таких видов спорта относятся, прежде всего, ациклические виды (прыжки, метания, тяжёлая атлетика, силовое троеборье, акробатика и др.), а также другие виды спорта, содержащие элементы силового и скоростно-силового характера.

Многие выдающиеся рекорды в тяжёлой атлетике подтверждают наши выводы. В тяжелоатлетических соревновательных упражнениях — рывке и толчке — штангисты поднимают штангу в направлении, противоположном притяжению Земли, и это упрощает наши расчёты. Для успешного подъёма штанги очень важно разогнать её до оптимальной скорости на максимальной высоте воздействия на штангу, чтобы иметь возможность принять её на прямые руки в рывке или на грудь в толчке. Если определить мгновенную мощность, развиваемую тяжелоатлетом в конце подъёма, когда достигается максимальная скорость подъёма штанги, и разделить её на вес мышечной ткани спортсмена (формула 2), то мы получим скорость противодействия земному притяжению, которая всегда будет меньше величины 9,8 м/сек.

(Pшт + θ·Pт) ·Vшт
ω = ———————— , м/сек (2)
δ·Pт

Где: Pшт — вес штанги, кг,
θ — коэффициент учёта части тела перемещающейся с максимальной скоростью, м/сек,
Vшт — максимальная скорость вылета штанги, м/сек,
δ — коэффициент содержания мышечной массы тела тяжелоатлета.

Если проанализировать лучшие рекордные достижения тяжелоатлетов за все годы с помощью уравнения 2, то окажется, что наиболее высокий показатель ω = 9,66 у Асена Златева (Болгария), который в рывке поднял 183 кг при собственном весе 82,5 кг. В толчке самый высокий показатель ω = 9,73 у Юрия Захаревича, который поднял 250 кг в весовой категории 110 кг.

Ранее считалось, что у штангистов тяжёлого веса самый низкий показатель относительной силы, определяемый делением суммы двоеборья на собственный вес тяжелоатлета, — около 3. А у штангистов лёгких весовых категорий такой показатель около 6.

Однако расчеты по уравнению 2 показывают, что коэффициент ω рекордсменов-тяжеловесов тоже высокий. Так, чемпион Олимпиады в Сиднее иранец Хоссейн Резазаде в рывке поднял 212,5 кг при собственном весе 147,5 кг (ω = 9,21), в толчке — 263 кг (ω = 9,31).

Сравнение ω штангистов-тяжеловесов и атлетов более лёгких весовых категорий показывает, что по этому показателю рекордные результаты отличаются ненамного, не более чем на 4,5%, что говорит о примерном равенстве их относительной силы. Штангисты тяжёлого веса имеют высокий рост (190 см и более), и поэтому им приходится поднимать штангу с большей конечной скоростью и на большую высоту. Кроме того, тяжеловесам приходится поднимать вместе со штангой и больший собственный вес.

Отсюда следует вывод, что штангисты тяжёлого веса показывают в принципе свои околопредельные результаты, как и тяжелоатлеты лёгких весовых категорий.

Коэффициент ω, рассчитанный по уравнению 2, позволяет более точно оценивать и сравнивать результаты тяжелоатлетов в рывке и толчке во всех весовых категориях.

Такой коэффициент может быть использован как интегральный критерий скоростно-силовой подготовленности и не только в тяжёлой атлетике, и во всех видах спорта, в которых соревновательные упражнения содержат скоростно-силовые элементы.

Если преобразовать уравнение 2, то можно рассчитать предельный вес штанги, которую возможно будет поднять при максимально возможном ω = 9,8.

ω·δ·Pт
Pшт = ———– – θ·Pт , кг (3)
Vшт

Сделанные расчеты показывают, что, например, в весовой категории 56 кг предельные результаты в рывке могут быть около 150 кг (сейчас 138,5), в толчке около 176 кг (сейчас 168 кг), в весовой категории 77 кг возможные пределы в рывке около 185 кг (сейчас 173 кг), в толчке 222,5 кг (сейчас 210 кг). В супертяжёлой весовой категории предельные результаты могут значительно отличаться, так как верхний предел собственного веса штангистов не ограничен. Если вес тяжелоатлета будет 130 кг, то предельные результаты в рывке могут быть около 230 кг, в толчке около 270 кг. При собственном весе 150 кг предельные результаты могут быть в рывке около 235 кг, в толчке около 282,5 кг. При собственном весе 170 кг возможные результаты в рывке будут 240 кг, в толчке около 295 кг.

Следует обратить внимание на то, что у спортсменов лёгких весовых категорий увеличение собственного веса сопровождается значительно большим приростом предельных результатов в рывке и толчке, чем у штангистов тяжёлых ВК.

Этот факт является дополнительным подтверждением одного из общих законов биологии, согласно которому чем меньше собственный вес животного, тем больший вес оно может нести. Так, муравей может нести груз весом в 20 и более раз больше собственного веса, слон же может нести груз не более 25% от собственного веса.

Другой показательный пример из области спорта — это прыжки в высоту, где движение и приложение силы в момент отталкивания направлено точно против притяжения Земли. В настоящее время мировой рекорд — 245 см — принадлежит кубинцу Сотомайору. Этот рекорд в последние годы не только никто не может превзойти, но даже приблизиться к нему никто не может , и этому может быть дано определённое объяснение.

В прыжках в высоту решающее значение имеет высота выпрыгивания после отталкивания, зависящая от силы и скорости, которые атлет может сконцентрировать в этот момент. А такая высота, как мы уже писали ранее, не может быть больше 122 см при мышечной массе 50% от веса тела. Кроме того, имеет большое значение высота центра масс тела прыгуна от поверхности отталкивания, и чем выше рост атлета, тем больше высота центра масс тела.

Поэтому высокорослые легкоатлеты с ростом около 200 см имеют решающее преимущество в этом виде спорта по сравнению с низкорослыми.

Если сложить высоту выпрыгивания (в пределах 122 см) и высоту расположения центра масс тела в момент отталкивания (которая у высокорослых атлетов может быть около 140-150 см), то с учётом необходимой высоты центра масс над планкой для её свободного перелета предельный результат может быть около 255 см. Существующий мировой рекорд -245 см — ненамного меньше предельно возможного результата, но прыгнуть в высоту в будущем, например, на 300 см для человека на Земле невозможно.

Подобные расчеты можно сделать для всех видов спорта, соревновательные упражнения которых содержат скоростно-силовые качества.

Коэффициент ω может быть применен в качестве теста для определения степени скоростно-силовой подготовленности как спортсменов, так и каждого человека для определения его физического состояния. Для этого нужно найти отношение фактической скорости Vт в момент отталкивания при выполнении тестового прыжка к потенциальной максимальной скорости отталкивания Vg.


σ = —— (4)
δ·Vg

Показатель σ может быть предложен как интегральный критерий физического состояния человека, а в качестве тестового упражнения лучше всего подходит прыжок с места вверх и измеряемый по методу В.Абалакова, применяемому в спортивной практике.

Анализируя вышеизложенное, следует, прежде всего, отметить, что у всех живых организмов имеется система противодействия земному притяжению, которую можно назвать гравитационным иммунитетом (ГИ).

Биофизический механизм гравитационного иммунитета может быть следующим. Под влиянием притяжения Земли в центральной нервной системе формируется способность создавать нервные импульсы необходимой мощности и частоты, которые через мотонейроны спинного мозга иннервируют мышцы, сокращающиеся с необходимой силой для выполнения каких-то движений тела или отдельных его частей. Такая способность создавать пучки нервных импульсов большой мощности в основном задается генетически и может быть улучшена в процессе тренировочной деятельности. После большого объёма скоростно-силовой работы появляющееся утомление компенсируется восстановительными процессами в организме и, прежде всего, в результате функционирования эндокринной системы.

Возможности процессов восстановления организма должны соответствовать объему силовой работы. По-видимому, гравитационный иммунитет варьирует способность организма к скоростно-силовой работе в зависимости от собственного веса тела организма.

В спортивной гимнастике практикуется сгонка веса спортсмена непосредственно перед соревнованиями. В процессе тренировок со своим обычным весом спортсмен приобретает необходимый уровень скоростно-силовой подготовленности, позволяющий выполнять многие скоростно-силовые элементы легче, чем во время тренировок. Но через некоторое время после соревнований скоростно-силовой уровень уменьшается соответственно уменьшению веса тела спортсмена.

В тяжёлой атлетике также отмечается улучшение скоростно-силовых качеств после сгонки веса перед соревнованиями.

В других видах спорта (фигурном катании, лёгкой атлетике, хоккее) существует практика использования специальных дополнительных отягощений на ногах, пояснице в тренировочном процессе. Выполняя соревновательные упражнения уже без дополнительных отягощений, спортсмены приобретают как бы дополнительное увеличение скоростно-силовых качеств, как и гимнасты.

Это явление наблюдается и у космонавтов, находящихся на околоземной орбите, но только в том смысле, что через некоторое время силовые качества человека постепенно уменьшаются и, как мы уже писали ранее, даже снижается объём мышечной массы.. В этом случае гравитационный иммунитет постепенно уменьшает мощность нервных импульсов, управляющих скоростно-силовыми возможностями нервно-мышечной системы, соответственно уменьшается и мышечная масса.

Когда американские астронавты находились на поверхности Луны, все мы видели, как они, нагруженные тяжелыми скафандрами, после лёгкого отталкивания могли далеко перемещаться. Происходило это потому, что притяжение Луны в шесть раз меньше, чем Земли, и в таких условиях гравитационный иммунитет еще сохранял земной скоростно-силовой потенциал. Можно предположить, что если астронавты могли бы находиться на поверхности Луны значительно больше времени, то гравитационный иммунитет постепенно уменьшил бы их скоростно-силовой потенциал до соответствующего лунному притяжению.

Известно также, что люди с большим собственным весом, но здоровые по медицинским показаниям, могут проявлять очень большую силу в некоторых тестовых упражнениях, например, в становой тяге и приседании. В соревнованиях за звание самого сильного человека в мире принимают участие именно высокорослые и тяжеловесные люди. Такие индивидуумы обладают самым высоким уровнем абсолютной силы.

Приведенные примеры показывают, что гравитационный иммунитет может изменять способность организма проявлять скоростно-силовые качества в зависимости от веса тела и условий его функционирования.

По-видимому, в центральной нервной системе и, прежде всего, в головном мозге имеется орган, реагирующий на изменение силы земного притяжения. Это может быть гипофиз, гипоталамус или какой-то другой орган, который при изменении силы земного притяжения вырабатывает специальные гормоны, воздействующие на соответствующие двигательные центры головного мозга для управления мощностью генерации нервных импульсов, которые в свою очередь и активируют мышцы к сокращению с нужной силой.

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы.

Организм каждого живого существа на Земле обладает гравитационным иммунитетом, который формирует потенциально-максимальный уровень скоростно-силовых качеств в зависимости от силы притяжения Земли.

Все живые организмы на Земле функционируют, используя, прежде всего, базальный уровень функций, который меньше потенциально-максимального, формируемого силой притяжения Земли.

У человека базальный уровень функций намного ниже потенциально-максимального, у диких животных базальный уровень функций находится на околопредельном уровне.

Соотношение сила-скорость находится зависит от силы притяжения Земли, действующей на все живые организмы с ускорением свободного падения g = 9,8 м/сек2.

Потенциально максимальный и базальный уровень функций скоростно-силового статуса человека может быть определен с помощью уравнения 4 с вычислением коэффициента σ, который может быть предложен как интегральный критерий физического состояния человека.

В качестве теста для определения интегрального критерия физического состояния человека лучше всего подходит прыжок с места верх, измеряемый по методу В.Абалакова.

С помощью коэффициента мгновенной мощности ω, вычисляемого по уравнению 2, можно определить уровень спортивного результата спортсменов в видах спорта, соревновательные упражнения которых содержат скоростно-силовые элементы. Можно также определить и потенциально максимальные спортивные результаты в скоростно-силовых видах спорта.

Предлагаемая теория о существовании гравитационного иммунитета человека и животных может быть одним из общих законов биологии.

Исцеление высшими силами
Гравитационное поле Земли, оказывается, может не только вредить здоровью человека, но и лечить его

Любые изменения в привычной среде обитания доставляют человеку дискомфорт. Это почти аксиома. Аномальная жара, морозы, вспышки на Солнце, полнолуние всегда сопровождаются жалобами на самочувствие. Но эти природные факторы знакомы многим, и мы научились с ними уживаться. Другое дело — аномалии, которые в обычной жизни мы ощущаем не так явственно. До недавнего времени с ними случалось сталкиваться лишь представителям немассовых профессий. Например, медикам приходится придумывать все новые способы, как уберечь летчиков, автогонщиков и космонавтов от пагубного воздействия измененных гравитационных полей. Однако те же врачи утверждают, что гравитация может быть и полезной, избавляющей людей от различных заболеваний. «Итоги» решили разобраться, насколько опасны или полезны могут быть для человека гравитационные силы природы.

Точка отсчета

Рассчитанная еще Исааком Ньютоном гравитация практически во всех частях Земли одинакова. Она определяется ускорением силы тяжести, равным в среднем 9,81 м/сек2, что стандартно принимается за 1 g — своеобразную точку отсчета. Это означает, что килограмм кирпичей на нашей планете весит ровно один килограмм. Аналогично и любой материальный объект, в том числе и человек, в любой точке планеты может быть уверен, что соответствует своим параметрам. Небольшие отклонения не в счет. Сила тяжести на полюсах и на экваторе различается всего на 0,5 процента, но без специальных приборов ее изменения не заметить — это в пределах простой погрешности. Однако когда отклонение от нормы более существенное, люди уже могут почувствовать что-то неладное. Ведь с момента зарождения жизни на планете и появления человека размеры Земли, скорость ее вращения и, соответственно, гравитация практически не менялись. Все органы и системы привыкли работать в условиях земного притяжения в 1 g. Сердце качает кровь по всей длине тела с учетом ее веса, стенки сосудов именно той толщины, которая выдержит нормальное давление, даже клеточные стенки рассчитаны на давление определенного веса воды.

Ощущения не из приятных

Конечно, без перегрузок в нашей жизни не обойтись, но они редки и незначительны. Например, при взлете самолета пассажир испытывает на себе 1,5 g, но совсем недолго. И то ощущение не из приятных. Есть на нашей планете и такие места, где изначально гравитация ниже нормы. Подобные аномалии присутствуют в глубоких пещерах и даже на Мертвом море, поверхность которого на 412 метров ниже уровня моря. Отмечено, что на этом курорте некоторые отдыхающие чувствуют себя не в своей тарелке. Вся проблема в силе тяжести, уверяют ученые. Но по сравнению с перегрузками, которые испытывают летчики сверхзвуковых боевых самолетов, космонавты и автогонщики, такие значения и упоминания не стоят. Иногда игры с силой тяжести приводят и к летальным исходам. Например, советский летчик-испытатель Григорий Бахчиванджи во время Великой Отечественной войны, при быстром ускорении потеряв сознание из-за перегрузки, не смог выйти из пике. Случалось подобное и с немецкими пилотами. Когда причину выявили, на самолетах начали устанавливать специальную систему. Она брала управление на себя, зарегистрировав предельную для человека перегрузку в 10 g.

Ученые ведущих стран потратили много сил и денег, чтобы понять, как бороться с перегрузками. Не обошлось и без жестокости. «Однажды, — рассказывает советский космонавт, дважды Герой Советского Союза Георгий Гречко, — американцы провели опыт на обезьяне, раскрутив ее в центрифуге до 8 g. Потом ее усыпили и препарировали. Во всех внутренних органах были точечные кровоизлияния». Животное, не будь оно усыплено, осталось бы навсегда инвалидом. Именно по этой причине не все первые советские кандидаты в космонавты смогли совершить полет, к которому готовились годами. Ведь если сейчас на центрифуге их исследуют на переносимость перегрузки только раз в год с повышенным показателем в 8 g, то первых космонавтов таким образом пытались тренировать. «Никакого эффекта, кроме большого вреда для организма, это не приносило, — вспоминает Георгий Гречко. — Некоторых после таких тренировок списывали сразу, кого-то немного погодя».

Невыносимая легкость

Невесомость — другая гравитационная крайность. Ничего полезного для организма она тоже не несет. Если перегрузки ведут к проблемам с сердечно-сосудистой системой и скелетом, то в условиях отсутствия силы тяжести кардинально нарушается обмен веществ. А также страдают нервная, мышечная, опорно-двигательная системы и самое тяжелое — резко снижается иммунитет. Космонавт, герой Российской Федерации Александр Лазуткин, который провел на орбите 184 дня и 22 часа, рассказал «Итогам», как после полета он, спортсмен и абсолютно здоровый человек, долго приходил в себя: «После невесомости даже сила земного притяжения ощущается, как перегрузка в 1-2 единицы. Сложно руки поднимать, двигаться. Часа через четыре руки перестают ощущать перегрузку, через пять-шесть часов и тело перестает ее чувствовать. Но мышцы еще слабые, и они плохо работают, нарушается координация движений. В первый день ходить тяжело, быстро развернуться не получается, двигаешься неуверенно, как младенец». Но одним днем все не закончилось. Дискомфорт космонавт ощущал еще примерно неделю, а спустя месяц уже ходил нормально, хотя был еще очень слаб. И даже через три месяца после приземления он чувствовал одышку, поднимаясь по лестнице на второй этаж. «Нужно было очень аккуратно давать организму нагрузку», — вспоминает Александр Лазуткин. Окончательно же он восстановился где-то только через год.

Призвание крутить

Сложно после таких откровений не испугаться могущественной силы тяжести. Искалечить человека она может на раз‑два‑три. И вот в недрах Самарского государственного медицинского университета родилась невероятная идея — использовать гравитацию для лечения. Что это — очередные происки изобретателей от «нанотехнологий»?

Список недугов, якобы излечиваемых силой тяжести, внушителен: от сложных несросшихся, в том числе и плохо срастающихся переломов конечностей до тяжелых повреждений тканей и даже начальной формы гипертонии. Профессор кафедры хирургических болезней № 1 Самарского университета Рудольф Галкин, один из разработчиков метода, утверждает, что «гравитационной терапией интересуются травматологи, хирурги и даже гинекологи». Якобы она позволяет увеличить паузу между обострениями болезней в два раза, а количество ампутаций поврежденных пальцев и конечностей при условии проведения параллельно комплекса лекарственно-медикаментозной терапии уменьшается в три раза. И даже женщинам аномальная гравитация в виде перегрузок помогает забеременеть.

Увидеть и испробовать чудо медицинской техники на себе корреспонденту «Итогов» удалось в Центре восстановительной медицины и реабилитации Лечебно-реабилитационного центра Росздрава. Установка представляет собой центрифугу. Она несколько отличается от привычных аппаратов, которые используются в Центре подготовки космонавтов, хотя и разрабатывалась изначально для них.

«Главное здесь в том, чтобы голова располагалась в центре», — рассказывает врач-терапевт отделения спортивной реабилитации центра Екатерина Сидоренко, привязывая подопытного корреспондента ремнями к горизонтальному столу. На глаза надевается маска, чтобы избежать головокружения, врач запускает аппарат, и тот начинает раскручиваться. В ногах, которые находятся дальше всего от центра, сразу ощущается приятная тяжесть.

— Кровь оттекает в конечности по сосудам. В это время увеличивается кровоток на периферии, расширяются капилляры, — объясняет терапевт.

«В этом-то и весь смысл терапии, — комментирует кардиолог отделения Олег Зиновьев, — происходит локальное перераспределение кровотока». Там, где крови больше, обмен веществ осуществляется активнее, ткани лучше и быстрее насыщаются кислородом и полезными веществами. Значит, процесс восстановления идет быстрее. Чтобы обеспечить обратный кровоток, приходится по инструкциям врачей двигать стопой на себя и от себя. Тем временем скорость вращения достигает 20 оборотов в минуту, и через 7 минут начинаешь чувствовать действие силы тяжести. Кружится голова, немного подташнивает. Приходится остановить эксперимент, нажав на специальную кнопку.

Но ведь сеанс должен длиться от 5 до 30 минут. Неужели совсем слабак? Екатерина Сидоренко нисколько не удивлена:

— У нас на центрифуге в основном спортсмены лечатся. Обычные люди хуже переносят вращение.

Максимально раскрутить центрифугу можно до 40 оборотов в минуту. При этом перегрузка составит 3 g, что сравнимо с минимальными ускорениями у космонавтов при старте. Правда, и атлеты неодинаково реагируют на испытание гравитацией. Все зависит от индивидуальных особенностей вестибулярного аппарата. Одному все равно, другому становится плохо. «Среди спортсменов легче всего приходится фигуристам. Они переносят вращение отлично», — делится наблюдениями терапевт.

Ванна блаженства

Неизвестно, что за богатыри такие в Самаре живут и выдерживают испытания вращением. Хотя, если очень надо, и не на такие жертвы пойдешь. Ведь, как отмечает Рудольф Галкин, гравитационная терапия способна вылечить травмы, которые обычными процедурами уже не исправить. «Правда, это не является панацеей, но способствует более качественной жизни больных», — заметил ученый.

Вот и заведующая отделением кардиопульмонологической реабилитации центра Росздрава Светлана Трипкош рассказывает, что ее пациенты, проходящие реабилитацию, не особо жалуют центрифугу: «Они ее не выдерживают: либо много противопоказаний, либо просто непереносимость». Зато они с удовольствием предаются другой крайности гравитационной аномалии — невесомости, эффект которой создает иммерсионная (от слова immersio — «погружение») терапия.

Уж если испытывать на себе все прелести силы притяжения, так до конца, решили мы и последовали за Светланой Трипкош.

Большую часть комнаты занимает ванна. Это комплекс иммерсионной терапии. Но вместо воды в ней — специальная клеенка. Ложишься на нее, и врач, повернув рычаг, опускает твердую панель. Тело как будто обволакивает водой, но в ней не тонешь, она под водонепроницаемой тканью. Несколько секунд, и наступает ощущение полной расслабленности, повисаешь в пустоте.

Процедура длится 40 минут. При этом на экране для пущей релаксации плавают тропические рыбки, а из динамиков доносится журчание воды.

«Во время иммерсионной терапии происходит равномерное распределение силы тяжести по поверхности среды, окружающей тело, — поясняет доктор. — Это благотворно сказывается на работе внутренних органов, сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта, печени, почек, позволяет нормализовать артериальное давление, улучшает кровообращение». Если это и есть ощущения, испытываемые космонавтами в невесомости, непонятно, на что же они тогда жалуются.

Гравитационные силы, несмотря на то что медицина осторожно пытается взять их на вооружение, до конца еще не изучены, впрочем, как и весь человеческий организм. С точностью никто не может сказать, как на то или иное воздействие будут реагировать заложенные в нас природой и развитые в ходе эволюции механизмы. Это еще предстоит открыть ученым. Тогда, возможно, и список болезней, которые излечиваются гравитационной терапией, увеличится в разы.

Экспертное мнение

Ольга Реброва, доктор медицинских наук, специалист по доказательной медицине:

— В современной медицине безопасность и эффективность медицинских вмешательств считаются обоснованными лишь в том случае, если они изучены в научном исследовании или контролируемом испытании и их результаты опубликованы в рецензируемом журнале. Научных доказательств эффективности и безопасности метода гравитационной терапии в настоящее время у нас нет.

Виталий Волович, доктор медицинских наук, профессор, академик Российской академии космонавтики:

— Гравитация — это сложная вещь, и я не думаю, что она способна помогать человеку. При ее аномальных значениях идет огромное воздействие на сердечно-сосудистую систему, наиболее нежные сосуды головного мозга испытывают серьезные нагрузки. А в невесомости, наоборот, происходит отлив крови от головы и сложившееся кровообращение нарушается. Впрочем, когда-то и телевизор казался фантастикой. Вероятно, так же и условия измененной гравитации могут быть использованы в оздоровительных процедурах. Если раньше эти факторы сильно влияли на здоровье первых космонавтов, то сегодняшние покорители космоса по полгода летают, и ничего.

>Гравитация

Реферат на тему:

1. Гравитационное взаимодействие

Закон всемирного тяготения.

В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m и M, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния — то есть:

Здесь G — гравитационная постоянная, равная примерно 6,6725×10-11 м³/(кг·с²).

Закон всемирного тяготения — одно из приложений закона обратных квадратов, встречающегося также и при изучении излучений (см., например, Давление света), и являющегося прямым следствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, что приводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадь всей сферы.

Гравитационное поле, так же как и поле силы тяжести, потенциально. Это значит, что можно ввести потенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, и эта энергия не изменится после перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность гравитационного поля влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии и при изучении движения тел в гравитационном поле часто существенно упрощает решение. В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени.

Большие космические объекты — планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.

Гравитация — слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях, и все массы положительны, это, тем не менее, очень важная сила во Вселенной. В частности, электромагнитное взаимодействие между телами на космических масштабах мало, поскольку полный электрический заряд этих тел равен нулю (вещество в целом электрически нейтрально).

Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления — орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

Гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией. Аристотель считал, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. Только много позже Галилео Галилей экспериментально определил, что это не так — если сопротивление воздуха устраняется, все тела ускоряются одинаково. Закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687) хорошо описывал общее поведение гравитации. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал Общую теорию относительности, более точно описывающую гравитацию в терминах геометрии пространства-времени.


2. Небесная механика и некоторые её задачи

Раздел механики, изучающий движение тел в пустом пространстве только под действием гравитации, называется небесной механикой.

Наиболее простой задачей небесной механики является гравитационное взаимодействие двух точечных или сферических тел в пустом пространстве. Эта задача в рамках классической механики решается аналитически до конца; результат её решения часто формулируют в виде трёх законов Кеплера.

При увеличении количества взаимодействующих тел задача резко усложняется. Так, уже знаменитая задача трёх тел (то есть движение трёх тел с ненулевыми массами) не может быть решена аналитически в общем виде. При численном же решении достаточно быстро наступает неустойчивость решений относительно начальных условий. В применении к Солнечной системе эта неустойчивость не позволяет предсказать точно движение планет на масштабах, превышающих сотню миллионов лет.

В некоторых частных случаях удаётся найти приближённое решение. Наиболее важным является случай, когда масса одного тела существенно больше массы других тел (примеры: солнечная система и динамика колец Сатурна). В этом случае в первом приближении можно считать, что лёгкие тела не взаимодействуют друг с другом и движутся по кеплеровым траекториям вокруг массивного тела. Взаимодействия же между ними можно учитывать в рамках теории возмущений и усреднять по времени. При этом могут возникать нетривиальные явления, такие как резонансы, аттракторы, хаотичность и т. д. Наглядный пример таких явлений — сложная структура колец Сатурна.

Несмотря на попытки точно описать поведение системы из большого числа притягивающихся тел примерно одинаковой массы, сделать этого не удаётся из-за явления динамического хаоса.


4. Гравитационное излучение

Экспериментально измеренное уменьшение периода обращения двойного пульсара PSR B1913+16 (синие точки) с высокой точностью соответствует предсказаниям ОТО по гравитационному излучению (чёрная кривая).

Одним из важных предсказаний ОТО является гравитационное излучение, наличие которого до сих пор не подтверждено прямыми наблюдениями. Однако существуют весомые косвенные свидетельства в пользу его существования, а именно: потери энергии в тесных двойных системах, содержащих компактные гравитирующие объекты (такие как нейтронные звезды или чёрные дыры), в частности, в знаменитой системе PSR B1913+16 (пульсаре Халса — Тейлора) — хорошо согласуются с моделью ОТО, в которой эта энергия уносится именно гравитационным излучением.

Гравитационное излучение могут генерировать только системы с переменным квадрупольным или более высокими мультипольными моментами, этот факт говорит о том, что гравитационное излучение большинства природных источников направленное, что существенно усложняет его обнаружение. Мощность гравитационного n-польного источника пропорциональна (v / c)2n + 2, если мультиполь имеет электрический тип, и (v / c)2n + 4 — если мультиполь магнитного типа , где v — характерная скорость движения источников в излучающей системе, а c — скорость света. Таким образом, доминирующим моментом будет квадрупольный момент электрического типа, а мощность соответствующего излучения равна:

где Qij — тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа (1/Вт) позволяет оценить порядок величины мощности излучения.

Начиная с 1969 года (эксперименты Вебера (англ.)), предпринимаются попытки прямого обнаружения гравитационного излучения. В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных детекторов (LIGO, VIRGO, TAMA (англ.), GEO 600), а также проект космического гравитационного детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna — лазерно-интерферометрическая космическая антенна). Наземный детектор в России разрабатывается в Научном Центре Гравитационно-Волновых Исследований «Дулкын» республики Татарстан.


6. Классические теории гравитации

В связи с тем, что квантовые эффекты гравитации чрезвычайно малы даже в самых экстремальных экспериментальных и наблюдательных условиях, до сих пор не существует их надёжных наблюдений. Теоретические оценки показывают, что в подавляющем большинстве случаев можно ограничиться классическим описанием гравитационного взаимодействия.

Существует современная каноническая классическая теория гравитации — общая теория относительности, и множество уточняющих её гипотез и теорий различной степени разработанности, конкурирующих между собой. Все эти теории дают очень похожие предсказания в рамках того приближения, в котором в настоящее время осуществляются экспериментальные тесты. Далее описаны несколько основных, наиболее хорошо разработанных или известных теорий гравитации.


6.1. Общая теория относительности

В стандартном подходе общей теории относительности (ОТО) гравитация рассматривается изначально не как силовое взаимодействие, а как проявление искривления пространства-времени. Таким образом, в ОТО гравитация интерпретируется как геометрический эффект, причём пространство-время рассматривается в рамках неевклидовой римановой (точнее псевдо-римановой) геометрии. Гравитационное поле (обобщение ньютоновского гравитационного потенциала), иногда называемое также полем тяготения, в ОТО отождествляется с тензорным метрическим полем — метрикой четырёхмерного пространства-времени, а напряжённость гравитационного поля — с аффинной связностью пространства-времени, определяемой метрикой.

Стандартной задачей ОТО является определение компонент метрического тензора, в совокупности задающих геометрические свойства пространства-времени, по известному распределению источников энергии-импульса в рассматриваемой системе четырёхмерных координат. В свою очередь знание метрики позволяет рассчитывать движение пробных частиц, что эквивалентно знанию свойств поля тяготения в данной системе. В связи с тензорным характером уравнений ОТО, а также со стандартным фундаментальным обоснованием её формулировки, считается, что гравитация также носит тензорный характер. Одним из следствий является то, что гравитационное излучение должно быть не ниже квадрупольного порядка.

Известно, что в ОТО имеются затруднения в связи с неинвариантностью энергии гравитационного поля, поскольку данная энергия не описывается тензором и может быть теоретически определена разными способами. В классической ОТО также возникает проблема описания спин-орбитального взаимодействия (так как спин протяжённого объекта также не имеет однозначного определения). Считается, что существуют определённые проблемы с однозначностью результатов и обоснованием непротиворечивости (проблема гравитационных сингулярностей).

Однако экспериментально ОТО подтверждается до самого последнего времени (2009 год). Кроме того, многие альтернативные эйнштейновскому, но стандартные для современной физики, подходы к формулировке теории гравитации приводят к результату, совпадающему с ОТО в низкоэнергетическом приближении, которое только и доступно сейчас экспериментальной проверке.


6.2. Теория Эйнштейна — Картана

Теория Эйнштейна — Картана (ЭК) была разработана как расширение ОТО, внутренне включающее в себя описание воздействия на пространство-время кроме энергии-импульса также и спина объектов. В теории ЭК вводится аффинное кручение, а вместо псевдоримановой геометрии для пространства-времени используется геометрия Римана — Картана. В результате от метрической теории переходят к аффинной теории пространства-времени. Результирующие уравнения для описания пространства-времени распадаются на два класса. Один из них аналогичен ОТО, с тем отличием, что в тензор кривизны включены компоненты с аффинным кручением. Второй класс уравнений задаёт связь тензора кручения и тензора спина материи и излучения. Получаемые поправки к ОТО в условиях современной Вселенной настолько малы, что пока не видно даже гипотетических путей для их измерения.


6.3. Теория Бранса — Дикке

В скалярно-тензорных теориях, самой известной из которых является теория Бранса — Дикке (или Йордана — Бранса — Дикке), гравитационное поле как эффективная метрика пространства-времени определяется воздействием не только тензора энергии-импульса материи, как в ОТО, но и дополнительного гравитационного скалярного поля. Источником скалярного поля считается свёрнутый тензор энергии-импульса материи. Следовательно, скалярно-тензорные теории, как ОТО и РТГ, относятся к метрическим теориям, дающим объяснение гравитации, используя только геометрию пространства-времени и его метрические свойства. Наличие скалярного поля приводит к двум группам уравнений для компонент гравитационного поля: одна для метрики, вторая — для скалярного поля. Теория Бранса — Дикке вследствие наличия скалярного поля может рассматриваться также как действующая в пятимерном многообразии, состоящем из пространства-времени и скалярного поля.

Подобное распадение уравнений на два класса имеет место и в РТГ, где второе тензорное уравнение вводится для учёта связи между неевклидовым пространством и пространством Минковского. Благодаря наличию безразмерного параметра в теории Йордана — Бранса — Дикке появляется возможность выбрать его так, чтобы результаты теории совпадали с результатами гравитационных экспериментов. При этом при стремлении параметра к бесконечности предсказания теории становятся всё более близкими к ОТО, так что опровергнуть теорию Йордана — Бранса — Дикке невозможно никаким экспериментом, подтверждающим общую теорию относительности.


7. Квантовая теория гравитации

Несмотря на более чем полувековую историю попыток, гравитация — единственное из фундаментальных взаимодействий, для которого пока ещё не построена общепризнанная непротиворечивая квантовая теория. При низких энергиях, в духе квантовой теории поля, гравитационное взаимодействие можно представить как обмен гравитонами — калибровочными бозонами со спином 2.

Однако в последнее время разработаны три перспективных подхода к решению задачи квантования гравитации: теория струн, петлевая квантовая гравитация и причинная динамическая триангуляция.


7.1. Теория струн

В ней вместо частиц и фонового пространства-времени выступают струны и их многомерные аналоги — браны. Для многомерных задач браны являются многомерными частицами, но с точки зрения частиц, движущихся внутри этих бран, они являются пространственно-временными структурами. Вариантом теории струн является М-теория.

7.2. Петлевая квантовая гравитация

В ней делается попытка сформулировать квантовую теорию поля без привязки к пространственно-временному фону, пространство и время по этой теории состоят из дискретных частей. Эти маленькие квантовые ячейки пространства определённым способом соединены друг с другом, так что на малых масштабах времени и длины они создают пёструю, дискретную структуру пространства, а на больших масштабах плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время. Хотя многие космологические модели могут описать поведение вселенной только от Планковского времени после Большого Взрыва, петлевая квантовая гравитация может описать сам процесс взрыва, и даже заглянуть раньше. Петлевая квантовая гравитация позволяет описать все частицы стандартной модели, не требуя для объяснения их масс введения бозона Хиггса.


7.3. Причинная динамическая триангуляция

В ней пространственно-временное многообразие строится из элементарных евклидовых симплексов (треугольник, тетраэдр, пентахор) размеров порядка планковских с учётом принципа причинности. Четырёхмерность и псевдоевклидовость пространства-времени в макроскопических масштабах в ней не постулируются, а являются следствием теории.


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *