Кіріспе

Сфералық денелердің гравитациялық тартылысы туралы мәлімдеме. Классикалық механикада қабық теоремасы сфералық симметриялы денелердің ішіндегі немесе сыртындағы объектілерге қолданылатын гравитациялық жеңілдетулерді ұсынады. Бұл теорема астрономияда ерекше маңызға ие. Исаак Ньютон қабық теоремасын дәлелдеп, былай айтты: Сфералық симметриялы дене сыртқы объектілерге гравитациялық әсер етеді, оның барлық массасы ортасындағы бір нүктеде шоғырланғандай. Егер дене шар тәрізді симметриялық қабық болса (яғни, қуыс шар болса), қабықтың ішіндегі кез келген объектіге, оның орнына қарамастан, ешқандай таза гравитациялық күш әсер етпейді. Сонымен қатар, тұрақты тығыздықтағы қатты шардың ішіндегі гравитациялық күш ортасынан қашықтыққа пропорционалды түрде өзгереді және масса ортасында симметрияға сәйкес нөлге жетеді. Бұны былай түсіндіруге болады: мұндай шардың ішіндегі, шар ортасынан қашықтықтағы нүктені қарастырыңыз. Қабық теоремасы (2) бойынша, үлкен радиустағы барлық қабықтарды ескермеуге болады. Бірақ бұл нүктені радиусы r болатын қалған шардың сыртында деп санауға болады, және (1) бойынша, осы шардың барлық массасы оның ортасында шоғырланған деп есептеуге болады. Қалған масса көлемге пропорционалды. r радиусындағы денеге әсер ететін гравитациялық күш кері квадрат заңына сәйкес пропорционалды болады, сондықтан жалқы гравитациялық әсер пропорционалды, демек, қашықтыққа сызықтық тәуелді. Бұл нәтижелер Ньютонның планеталар қозғалысын талдауында маңызды роль атқарды; олар бірден көзге көрінбейді, бірақ есептеу арқылы дәлелдеуге болады. (Гаусс заңы гравитация үшін теореманы тұжырымдаудың басқа жолын ұсынады.) Гравитациядан басқа, қабық теоремасы статикалық сфералық симметриялық заряд тығыздығы тудырған электр өрісін сипаттау үшін де қолданылуы мүмкін, немесе кері квадрат заңына бағынатын кез келген басқа құбылыс үшін де қолданылады. Төмендегі есептеулер гравитацияға бағытталған, бірақ нәтижелерді электростатикалық күшке оңай жалпылауға болады.

Кіріспе

70 және 71-таластарда масса тығыздығы тұрақты болатын, өте жұқа қабырғалы қуыс шардан бөлшекке әсер ететін күш қарастырылады. Шардың бетінің кішкентай бөлігінен бөлшекке әсер ететін күш, сол бөліктің массасына пропорционалды және бөлшектен оған дейінгі қашықтықтың квадратына кері пропорционалды. Бірінші талас бөлшектің шардың ішінде, екіншісі – сыртында жатқан жағдайды қарастырады. Геометриялық құралымдарда шексіз кішкентай шамаларды және лимиттеу процестерін қолдану оңай және әдемі, және ешқандай интегралдау қажеттілігін жояды. Олар Ньютонның "Principia" еңбегіндегі көптеген таластарды дәлелдеу әдісін жақсы көрсетеді. Оның 70-таласты дәлелдеуі өте қарапайым. Бұдан кейін ол Ньютон көрсеткенге қарағанда сәл толықрақ қарастырылады. 71-таласты дәлелдеудің тарихи маңызы зор. Ол, қатты шардың сыртындағы бөлшекке әсер ететін гравитациялық күш, шардың центрінен оған дейінгі қашықтықтың квадратына кері пропорционалды екенін дәлелдеуінің бірінші бөлігін құрайды, егер шардың ішіндегі кез келген нүктедегі тығыздық тек шардың центрінен оған дейінгі қашықтығының функциясы болса. Төмендегілер Ньютонның дәлелдемелеріне толыққанды сәйкес келеді, бірақ оларды түсініктірек ету үшін шамалы өзгерістер енгізілді.

Құрғақ сфераның ішіндегі нүктеге әсер ететін күш

2-сурет – ойыс шардың центрі арқылы жасалған қимасы, S және шардың ішіндегі кез келген нүкте P. P нүктесі арқылы KPL бұрышы өте кішкентай болатындай IL және HK екі түзу сызығы жүргізілсін. JM – бұл P нүктесі арқылы өтетін және осы бұрышты екіге бөлетін түзу. Шеңберге ішкі бұрыш теоремасы бойынша IPH және KPL үшбұрыштары ұқсас. KH және IL түзулері JM осінің айналысында айналып, шарды екі жабық қисықпен қиып өтетін екі конус құрайды. 1-суретте шар PE түзуі бойымен алыстан көрінеді және екі қисықты да көруге болатындай мөлдір деп есептелінеді. Конус пен жазықтықтың қиылысы эллипс болғандықтан, осы жағдайда қиылыстар IH және KL негізгі өстері бар екі эллипс құрайды, ал ұқсас аргумент бойынша кіші өстері де бірдей қатынаста болады. Бұл шарды жоғарыдан қарағанда анық көрінеді. Сондықтан екі эллипс ұқсас, демек олардың аудандары олардың негізгі өстерінің квадраттарына пропорционал. Кез келген бет бөлігінің массасы осы бөліктің ауданына пропорционалды болғандықтан, екі эллипстік аудан үшін олардың массаларының қатынасы да сондай болады. P нүктесіне эллипстік ауданның кез келгенінен JM бағытында әсер ететін тартылу күші, ауданның массасына тура пропорционал және одан P нүктесіне дейінгі қашықтықтың квадратына кері пропорционал, сондықтан ол P нүктесінің шардан қашықтығына тәуелсіз. Демек, екі инфинитезимальды эллипстік ауданнан P нүктесіне әсер ететін күштер тең және қарама-қарсы, ал JM бағытында таза күш жоқ. P нүктесінің орны және JM бағытының бағыты кез келген болғандықтан, қуыс шардың ішіндегі кез келген бөлшектің шардың массасынан таза күш сезінбейтіні шығады. Ескерту: Ньютон IH және KL доғаларын «өте кішкентай» деп сипаттайды, ал IL және HK түзулерімен шектелген аудандар кез келген пішінде болуы мүмкін, міндетті түрде эллипстік емес, бірақ олар әрқашан ұқсас болады.

Жалпы салыстырмалылық теориясындағы қабық теоремасы

Жалпы салыстырмалылық теориясында (GR) қабық теоремасының аналогы бар. Сфералық симметрия метриканың уақыттан тәуелсіз Шварцшильд геометриясына ие екенін білдіреді, тіпті орталық масса гравитациялық құлдырауға ұшыраса да (Misner және басқалар, 1973; Бирхофф теоремасына қараңыз). Метриканың түрі (геометриялық бірліктерді қолдана отырып, мұнда ). (кейбір массалық қабықтың радиусы болғанда) үшін масса бастапқы нүктеде дельта функциясы ретінде әрекет етеді. , массалық қабықтар сыртта болуы мүмкін, бірақ метриканың бастапқы нүктеде ерекшелік тудырмауы үшін метрикада нөл болуы керек. Бұл метриканы жалпақ Минковский кеңістігіне дейін қысқартады; демек, сыртқы қабықтар гравитациялық әсерге ие емес. Бұл нәтиже қара тесікке алып келетін гравитациялық құлдырауды және оның оқиғалар горизонтының сыртындағы және ішіндегі жарық сәулелері мен бөлшектердің қозғалысына тигізетін әсерін түсіндіреді (Хартл, 2003, 12-тарау).