Закон всемирного тяготения ньютона

ФИЗИКА

§ 15. Закон всемирного тяготения

В курсе физики 7 класса вы изучали явление всемирного тяготения. Оно заключается в том, что между всеми телами во Вселенной действуют силы притяжения.

К выводу о существовании сил всемирного тяготения (их называют также гравитационными) пришёл Ньютон в результате изучения движения Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца.

Заслуга Ньютона заключается не только в его гениальной догадке о взаимном притяжении тел, но и в том, что он сумел найти закон их взаимодействия, т. е. формулу для расчёта гравитационной силы между двумя телами.

Закон всемирного тяготения гласит:

два любых тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной массе каждого из них и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними

где F — модуль вектора силы гравитационного притяжения между телами массами m1 и m2, г — расстояние между телами (их центрами); G — коэффициент, который называется гравитационной постоянной.

Если m1 = m2 = 1 кг и г = 1 м, то, как видно из формулы, гравитационная постоянная G численно равна силе F. Другими словами, гравитационная постоянная численно равна силе F притяжения двух тел массой по 1 кг, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга. Измерения показывают, что

G = 6,67 • 10-11Нм2/кг2.

Формула даёт точный результат при расчёте силы всемирного тяготения в трёх случаях: 1) если размеры тел пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между ними (рис. 32, а); 2) если оба тела однородны и имеют шарообразную форму (рис. 32, б); 3) если одно из взаимодействующих тел — шар, размеры и масса которого значительно больше, чем у второго тела (любой формы), находящегося на поверхности этого шара или вблизи неё (рис. 32, в).

Рис. 32. Условия, определяющие границы применимости закона всемирного тяготения

Третий из рассмотренных случаев является основанием для того, чтобы рассчитывать по приведённой формуле силу притяжения к Земле любого из находящихся на ней тел. При этом в качестве расстояния между телами следует брать радиус Земли, поскольку размеры всех тел, находящихся на ее поверхности или вблизи неё, пренебрежимо малы по сравнению с земным радиусом.

Взаимодействие яблока и Земли

По третьему закону Ньютона яблоко, висящее на ветке или падающее с неё с ускорением свободного падения, притягивает к себе Землю с такой же по модулю силой, с какой его притягивает Земля. Но ускорение Земли, вызванное силой её притяжения к яблоку, близко к нулю, поскольку масса Земли несоизмеримо больше массы яблока.

Вопросы

  1. Что было названо всемирным тяготением?
  2. Как иначе называются силы всемирного тяготения?
  3. Кто и в каком веке открыл закон всемирного тяготения?
  4. Сформулируйте закон всемирного тяготения. Запишите формулу, выражающую этот закон.
  5. В каких случаях следует применять закон всемирного тяготения для расчёта гравитационных сил?
  6. Притягивается ли Земля к висящему на ветке яблоку?

Упражнение 15

  1. Приведите примеры проявления силы тяготения.
  2. Космическая станция летит от Земли к Луне. Как меняется при этом модуль вектора силы её притяжения к Земле; к Луне? С одинаковыми или различными по модулю силами притягивается станция к Земле и Луне, когда она находится посередине между ними? Если силы различны, то какая больше и во сколько раз? Все ответы обоснуйте. (Известно, что масса Земли примерно в 81 раз больше массы Луны.)
  3. Известно, что масса Солнца в 330 000 раз больше массы Земли. Верно ли, что Солнце притягивает Землю в 330 000 раз сильней, чем Земля притягивает Солнце? Ответ поясните.
  4. Мяч, подброшенный мальчиком, в течение некоторого времени двигался вверх. При этом его скорость всё время уменьшалась, пока не стала равной нулю. Затем мяч стал падать вниз с возрастающей скоростью. Объясните: а) действовала ли на мяч сила притяжения к Земле во время его движения вверх; вниз; б) что послужило причиной уменьшения скорости мяча при его движении вверх; увеличения его скорости при движении вниз; в) почему при движении мяча вверх его скорость уменьшалась, а при движении вниз — увеличивалась.
  5. Притягивается ли к Луне человек, стоящий на Земле? Если да, то к чему он притягивается сильнее — к Луне или к Земле? Притягивается ли Луна к этому человеку? Ответы обоснуйте.

Что такое гравитация простыми словами детям.

с лат. gravitas — «тяжесть» ) — невидимая сила , притягивающая объекты с меньшей массой к более массивным. Таким образом определяющая положение галактик, планет, спутников и всех небесных тел. В контексте Земли отвечает за то, что объекты притягиваются к поверхности и не улетают за пределы планеты. Это одно из четырех фундаментальных взаимодействий в физике, определяющих функционирование вселенной, наряду со слабым и сильным атомными взаимодействиями и электромагнетизмом.

Точного научного определения термина не существует, поскольку подходы к изучению гравитации и теории относительно её природы постоянно разрабатываются, дополняются и совершенствуются. Актуальными на сегодня являются закон всемирного тяготения Ньютона вместе с его дополнениями и общая теория относительности Эйнштейна.

Гравитация и закон всемирного тяготения

Закон всемирного тяготения, предложенный Ньютоном, не ставит своей целью описание природы возникновения гравитации, но позволяет совершать верные математические расчеты на практике. Для этого пользуются формулой

, где:

  • F — сила притяжения;
  • r — расстояние между их центрами;
  • G — гравитационная постоянная, равная 6.67×10 -11 м 3 /кг×с 2 и отражающая то, с какой силой бы действовали друг на друга два тела, размещенные на расстоянии 1 метра и имеющие одинаковую массу в 1 килограмм.

Собственное гравитационное поле создается каждым объектом Вселенной вне зависимости от его массы.

Гравитация на каждой из планет разная и напрямую зависит от массы астрономического тела. Так, к примеру, показатели гравитации на Юпитере многократно превышают земные. На тело, имеющее земной вес в 60 килограмм, Юпитер будет оказывать такую гравитацию, как Земля оказывает на тело с массой 142 килограмма.

Гравитация и общая теория относительности

Несмотря на то, что закон всемирного тяготения Ньютона отлично справляется с математическим описанием гравитации, он порождает конфликты и несоответствия, когда речь заходит о дальности действия и скорости распространения этой величины.

Дело в том, что в теории Ньютона предполагается, что гравитация окутывает всю вселенную и действует мгновенно в каждой её части. Однако, это невозможно исходя из того, что пределом допустимой скорости в физике является скорость света. Даже если бы скорость распространения гравитации была равна скорости света, она бы не могла мгновенно срабатывать даже на небольших участках космоса, поскольку нуждается в преодолении расстояния.

Решение проблемы нашлось в общей теории относительности Эйнштейна, которая рассматривает гравитацию не как силу, но как искривление времени-пространства под влиянием масс.

Для наглядности можно представить натянутую вокруг обруча ткань. После того, как на нее положат яблоко, она искривится. Если же после этого положить рядом тяжелую гирю, она искривится уже с центром в новом месте , а яблоко притянет к гире.

В физике элементарных частиц была выработана концепция гравитона — гипотетически существующей фундаментальной частицы, которая ответственна за гравитацию. Такая частица имеет нулевую массу, однако, обладает энергией, позволяющей ей влиять на поведение других элементарных частиц.

Понятие гравитационных волн

Несмотря на то, что общая теория относительности Эйнштейна уже давно была принята научным сообществом, она нашла очередное свое подтверждение с открытием физиками гравитационных волн в 2015 году.

Людям, далеким от теоретической физики и астрономии, будет нетрудно представить гравитационные волны в виде кругов, некоторое время разрастающихся, а затем затухающих после того, как в воду был брошен камень. Они имеют относительно похожую форму и структуру, но проявляются не на поверхности воды, а в пространстве-времени Вселенной.

Гравитационные волны оказывают дополнительное влияние на все близлежащие объекты и возникают при резкой смене массы в конкретной точке. Примером такого изменения в структуре космоса может быть слияние сверхмассивных черных дыр.

Ученые не могли столь долго открыть такие волны из-за низкой силы гравитации. Даже при сегодняшнем уровне развития технологий для этого пришлось поместить в вакуум четырехкилометровый детектор , состоящий из подвешенных зеркал.

Людям ошибочно кажется, что гравитация невероятно сильна. На самом же деле, это самая слабая из всех фундаментальных взаимодействий. Иллюстрацией того, насколько сильно её превосходит, к примеру, электромагнитное взаимодействие может служить факт того, что даже маленькие магниты на холодильник надежно закреплены магнитным притяжением на своем месте и будто игнорируют силу земного притяжения.

Гравитационное поле

Гравитационное поле является векторным полем , которое описывает гравитационную силу , которая будет применяться на объекте в любой заданной точке пространства, на единицу массы. Фактически, оно равно ускорению свободного падения в этой точке.

Это обобщение векторной формы, которое становится особенно полезным, если задействовано более двух объектов (например, ракета между Землей и Луной). Для двух объектов (например, объект 2 — ракета, объект 1 — Земля) мы просто пишем r вместо r 12 и m вместо m 2 и определяем гравитационное поле g ( r ) как:

г(р)знак равно-гм1|р|2р^{\ displaystyle \ mathbf {g} (\ mathbf {r}) = — G {m_ {1} \ over {{\ vert \ mathbf {r} \ vert} ^ {2}}} \, \ mathbf {\ hat {р}} }

так что мы можем написать:

F(р)знак равномг(р).{\ displaystyle \ mathbf {F} (\ mathbf {r}) = m \ mathbf {g} (\ mathbf {r}).}

Эта формулировка зависит от объектов, вызывающих поле. Поле имеет единицы ускорения; в СИ это м / с 2 .

Гравитационные поля также консервативны ; то есть работа, выполняемая гравитацией из одного положения в другое, не зависит от пути. Отсюда следует, что существует гравитационное потенциальное поле V ( r ) такое, что

г(р)знак равно-∇V(р).{\ displaystyle \ mathbf {g} (\ mathbf {r}) = — \ nabla V (\ mathbf {r}).}

Если m 1 — точечная масса или масса сферы с однородным распределением масс, силовое поле g ( r ) вне сферы изотропно, т. Е. Зависит только от расстояния r от центра сферы. В таком случае

V(р)знак равно-гм1р.{\ displaystyle V (r) = — G {\ frac {m_ {1}} {r}}.}

гравитационное поле находится внутри и снаружи симметричных масс.

Согласно закону Гаусса , поле в симметричном теле можно найти с помощью математического уравнения:

∂V{\ displaystyle \ partial V} г(р)⋅dАзнак равно-4πгMприложить,{\ displaystyle \ mathbf {g (r)} \ cdot d \ mathbf {A} = -4 \ pi GM _ {\ text {enc}},}

где — замкнутая поверхность, а — масса, заключенная в поверхности.
∂V{\ displaystyle \ partial V}Mприложить{\ displaystyle M _ {\ text {enc}}}

Следовательно, для полой сферы радиуса и общей массы ,
р{\ displaystyle R}M{\ displaystyle M}

|г(р)|знак равно{,если р<ргMр2,если р≥р{\ displaystyle | \ mathbf {g (r)} | = {\ begin {cases} 0, & {\ text {if}} r <R \\\\ {\ dfrac {GM} {r ^ {2}} }, & {\ text {if}} r \ geq R \ end {case}}}

Для равномерного сплошного шара радиуса и общей массы ,
р{\ displaystyle R}M{\ displaystyle M}

|г(р)|знак равно{гMрр3,если р<ргMр2,если р≥р{\ displaystyle | \ mathbf {g (r)} | = {\ begin {cases} {\ dfrac {GMr} {R ^ {3}}}, & {\ text {if}} r <R \\\\ {\ dfrac {GM} {r ^ {2}}}, & {\ text {if}} r \ geq R \ end {case}}}

Особенности воздействия

Из-за суточного вращения Земли либо другой планеты вокруг оси сила притяжения и сила тяжести для одного и того же объекта отличаются между собой по модулю и направлению. Сила притяжения (гравитационная сила) всегда направлена по радиусу к центру Земли, сила тяжести Ft – по линии отвеса к центру Земли.

Сила притяжения зависит от значений географической широты. Причина такой зависимости заключается в том, что произвольное тело, которое находится в покое относительно Земли, участвует в ее суточном вращении, поэтому при движении вокруг оси по кругу на тело действует сила притяжения и сила реакции, направленная под определенным углом. Равнодействующая этих сил и придает телу центростремительное ускорение.

Границы применимости

Рассмотрев кратко Всемирного тяготения закон, следует несколько слов сказать о границах его применимости.

Изученной формулой можно пользоваться всегда, когда массы тел и расстояния между ними велики. Так, движение планет в Солнечной системе с хорошей точностью описываются с помощью этого закона. Исключение составляет лишь Меркурий, который очень близко находится к Солнцу, поэтому для точного описания его движения следует пользоваться теорией относительности общей Эйнштейна.

Проблемы применения универсального закона также возникают при описании взаимодействия электромагнитных волн с сильными полями гравитации.

Гравитация от Эйнштейна

Задолго до Ньютона и Эйнштейна о гравитации говорил еще Аристотель. Он выдвинул теорию о том, что скорость падения объекта напрямую зависит от его массы. Но о том, что ускорение свободного падения одинаково для всех, он не знал. Об этом догадался только Галилей.

Далее в Общей теории относительности (ОТО) Эйнштейн более подробно описал гравитацию, связав ее с пространством-временем. Да-да, так как они неразрывны, гравитация искривляет не только материю, но и время. Из-за этого время в космосе идет медленнее.

Гравитация от Эйнштейна

Вы помните, что орехи скатываются к яблокам и все такое, но в таком случае, почему Луна до сих пор не рухнула на Землю? Потому что сила гравитационного взаимодействия крайне слаба, но действует на абсолютно любые расстояния. Она даже имеет четкую формулу для расчета: Fg=G(m1m2/r2) – то есть это зависимость масс двух объектов от квадрата расстояния между ними, умноженная на гравитационную постоянную. Эту формулу учат в школьном курсе физики, если что. Из этого следует, что чем больше масса тела, тем большее гравитационное поле оно может создать.

В таком случае, многие могут спросить: «почему Луна не падает на Землю под действием гравитации?». Взгляните на формулу – что такое G? Это гравитационная постоянная, равная 6,67408×10-11 м3кг-1с-2. Даже если все здесь кажется вам лютейшим бредом, то 10-11 более наглядно выглядит так: 0,00000000001. Вы отдаете себе отчет в том, на сколько это мало? Ровно настолько, что даже Луна не падает на Землю, не говоря уже о том, что вы не можете притягивать к себе мелкие предметы силой гравитационного взаимодействия, которым, кстати, тоже обладаете.

Все объекты во Вселенной так или иначе подвержены гравитации. Именно Эйнштейн заговорил об «искривлении» пространства. Он считал, что подобное взаимодействие не результат влияния сил, а изменений в самом пространственно-временном континууме. Как это происходит? Из-за массы и энергии. Думаю, многие из вас уже поняли, к чему я веду. ОТО гласит о том, что масса и энергия едины, и именно из-за их взаимодействия искривляется пространство-время. Все вы хоть раз в жизни слышали об этой формуле: E=mc2 – она объясняет, как, но не говорит почему. Гравитация – очень обширное понятие. Она отвечает и за земное притяжение нас с вами и за расширение самой Вселенной. Поэтому описать все это каким-то единым законом до сих пор ни у кого не получилось.

Галилео и Движение

Философия Аристотеля о движении материи к какому-то естественному месту господствовала около 2000 лет. Пока на сцену истории науки не вышел, щурясь от яркого света, синьор Галилео Галилей. Он немного постоял с задумчивым видом и взялся за дело. Изобретатель начал с усердием катать объекты разного веса вниз по наклоненным доскам. Он на самом деле ничего не сбрасывал с Пизанской башни. Несмотря на популярные истории на этот счет. В ходе своих экспериментов Галилей обнаружил, что все доступные ему предметы (кошки, чайники, велосипедные покрышки) имеют одинаковое ускорение при свободном падении независимо от своего веса.

Поле тяготения

Две силы взаимодействия, которые действуют на каждый из взаимодействующих объектов, одинаковы по величине, при этом противоположны по направлению в полном соответствии с 3 законом Ньютона (закон взаимодействия 2 материальных точек). Направлены силы вдоль прямой, которая соединяет обе материальные точки – их называют центральными. Гравитационное взаимодействие между этими объектами осуществляется полем тяготения. В каждой точке гравитационного поля на помещенный в него объект воздействует сила тяжести, пропорциональная массе этого объекта. Сила тяжести при этом не зависит от среды, в которой исследуемый объект (тело, точка) находится.

Поле тяготения имеет специфическое свойство – во время переноса объекта определенной массы (m) между различными точками поля тяготения действие силы тяжести не будет зависеть от траектории движения объекта, а будет зависеть исключительно от положения в гравитационном поле начальной и конечной точки перемещения объекта. Силы, обладающие подобными свойствами, назвали консервативными, а поле с действием таких сил – потенциальным.

Гравитационное взаимодействие[править | править код]

Важнейшим свойством гравитации является то, что вызываемое ею ускорение малых пробных тел почти не зависит от массы этих тел. Это связано с тем, что гравитация как сила в природе прямо пропорциональна массе взаимодействующих тел. При размерах тел, достигающих размеров планет и звёзд, гравитационная сила становится определяющей и формирует шарообразную форму этих объектов. При дальнейшем увеличении размеров до уровня скоплений галактик и сверхскоплений проявляется эффект ограниченной скорости гравитационного взаимодействия. Это приводит к тому, что сверхскопления имеют уже не округлую форму, а напоминают вытянутые сигарообразные волокна, примыкающие к узлам с самыми массивными скоплениями галактик.
Гравитационное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики, гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, согласно которому сила гравитационного притяжения между двумя телами массы  m1~m_1
и  m2~m_2
, разделённых расстоянием  R~R
есть


 F=−G⋅m1⋅m2R2~F = — G \cdot {m_1 \cdot m_2\over R^2}
.

Здесь  G~G
 — гравитационная постоянная, равная  6,673(10)⋅10−11~6,673(10)\cdot 10^{-11}
м³/(кг с²). Знак минус означает, что сила, действующая на пробное тело, всегда направлена по радиус-вектору от пробного тела к источнику гравитационного поля, т. е. гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению тел.

Поле 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 поля тяжести влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии, что при изучении движения тел в поле тяжести 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 и сила зависят только от положения тела в данный момент времени. Однако учёт лоренц-инвариантности гравитационной силы и запаздывания распространения гравитационного воздействия с помощью решения для потенциалов Льенара и Вихерта приводит к тому, что в движущихся с постоянной скоростью системах отсчёта возникает дополнительная компонента силы за счёт гравитационного поля кручения. Ситуация полностью эквивалентна ситуации с электрической силой, когда при движении наблюдателя он обнаруживает ещё магнитное поле и магнитную силу, пропорциональную скорости своего движения. Это делает необходимым учёт ограниченности скорости распространения гравитации, приводящей к свойству близкодействия и запаздывания гравитационного взаимодействия. В конце 19 и в начале 20 века усилиями ряда физиков — О. Хевисайда, А. Пуанкаре, Г. Минковского, А. Зоммерфельда, Х. Лоренца и др. — были заложены основы лоренц-инвариантной теории гравитации (ЛИТГ), описывающей гравитацию в инерциальных системах отсчёта при релятивистских скоростях.

В результате закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687) был включён в лоренц-инвариантную теорию гравитации, которая достаточно хорошо предсказывала общее поведение гравитации. В 1915 году Альбертом Эйнштейном была создана общая теория относительности (ОТО), описывающая явления в гравитационном поле в терминах геометрии пространства-времени и с учётом влияния гравитации на результаты пространственно-временных измерений.

Гравитационное поле

Гравитационное поле является векторным полем , которое описывает гравитационную силу , которая будет применяться на объекте в любой заданной точке пространства, на единицу массы. Фактически оно равно ускорению свободного падения в этой точке.

Это обобщение векторной формы, которое становится особенно полезным, если задействовано более двух объектов (например, ракета между Землей и Луной). Для двух объектов (например, объект 2 — ракета, объект 1 — Земля) мы просто пишем r вместо r 12 и m вместо m 2 и определяем гравитационное поле g ( r ) как:

грамм(р)знак равно-граммм1|р|2р^{\ displaystyle \ mathbf {g} (\ mathbf {r}) = — G {m_ {1} \ over {{\ vert \ mathbf {r} \ vert} ^ {2}}} \, \ mathbf {\ hat {р}} }

так что мы можем написать:

F(р)знак равномграмм(р).{\ displaystyle \ mathbf {F} (\ mathbf {r}) = m \ mathbf {g} (\ mathbf {r}).}

Эта формулировка зависит от объектов, вызывающих поле. Поле имеет единицы ускорения; в СИ это м / с 2 .

Гравитационные поля также консервативны ; то есть работа, выполняемая гравитацией из одного положения в другое, не зависит от пути. Отсюда следует, что существует гравитационное потенциальное поле V ( r ) такое, что

грамм(р)знак равно-∇V(р).{\ displaystyle \ mathbf {g} (\ mathbf {r}) = — \ nabla V (\ mathbf {r}).}

Если m 1 — точечная масса или масса сферы с однородным распределением масс, силовое поле g ( r ) вне сферы изотропно, т.е. зависит только от расстояния r от центра сферы. В таком случае

V(р)знак равно-граммм1р.{\ displaystyle V (r) = — G {\ frac {m_ {1}} {r}}.}

гравитационное поле находится внутри и снаружи симметричных масс.

Согласно закону Гаусса , поле в симметричном теле можно найти с помощью математического уравнения:

∂V{\ displaystyle \ partial V} грамм(р)⋅dАзнак равно-4πграммMenc,{\ displaystyle \ mathbf {g (r)} \ cdot d \ mathbf {A} = -4 \ pi GM _ {\ text {enc}},}

где — замкнутая поверхность, а — масса, заключенная в поверхности.
∂V{\ displaystyle \ partial V}Menc{\ displaystyle M _ {\ text {enc}}}

Следовательно, для полой сферы радиуса и общей массы ,
р{\ displaystyle R}M{\ displaystyle M}

|грамм(р)|знак равно{,если р<рграммMр2,если р≥р{\ displaystyle | \ mathbf {g (r)} | = {\ begin {case} 0, & {\ text {if}} r <R \\\\ {\ dfrac {GM} {r ^ {2}} }, & {\ text {if}} r \ geq R \ end {case}}}

Для равномерного сплошного шара радиуса и общей массы ,
р{\ displaystyle R}M{\ displaystyle M}

|грамм(р)|знак равно{граммMрр3,если р<рграммMр2,если р≥р{\ displaystyle | \ mathbf {g (r)} | = {\ begin {cases} {\ dfrac {GMr} {R ^ {3}}}, & {\ text {if}} r <R \\\\ {\ dfrac {GM} {r ^ {2}}}, & {\ text {if}} r \ geq R \ end {case}}}

Кто и когда открыл закон?

Говоря кратко о Всемирного тяготения законе, следует привести историю его открытия. Официальной датой этого события считается 1687 год, когда Исаак Ньютон опубликовал свою работу, где дал ему формулировку. Тем не менее, не следует полагать, что в физике Всемирного тяготения закон — это детище исключительно Ньютона. Даже сам англичанин признавал, что математическую зависимость силы гравитации от расстояния предлагали многие его предшественники и современники.

Вам будет интересно:Кто это — хрыч? И при чем тут собаки

Как бы там ни было, заслуга Ньютона очевидна. Именно он смог собрать воедино большое количество идей и экспериментальных зависимостей, например, законы Кеплера, провести детальный анализ всех данных и сформулировать красивую и стройную теорию. Поэтому открытие Всемирного тяготения закона принадлежит ему по праву.

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).

нейтронные звездыпульсаре

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 , если мультиполь имеет электрический тип, и  — 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  — тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа  (1/Вт) позволяет оценить порядок величины мощности излучения.

Начиная с 1969 года (эксперименты Вебера), предпринимаются попытки прямого обнаружения гравитационного излучения. В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных детекторов (LIGO, VIRGO, TAMA, 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.

Сильные гравитационные поля[править | править код]

В сильных гравитационных полях или при движении с релятивистскими скоростями, начинают проявляться эффекты общей теории относительности:

  • отклонение закона тяготения от ньютоновского;
  • запаздывание потенциалов, связанное с конечной скоростью распространения гравитационных возмущений; появление гравитационных волн;
  • эффекты нелинейности: гравитационные волны имеют свойство взаимодействовать друг с другом, поэтому принцип суперпозиции волн в сильных полях уже не выполняется;
  • изменение геометрии видимого пространства-времени;
  • допускается развитие сингулярностей и возникновение чёрных дыр. Правда, первое очевидно требует для своего описания квантовой теории (каковой ОТО как таковая не является), то есть реальность сингулярностей не только не доказана, но нельзя сказать, что достаточно хорошо обоснована. В реальности же обнаруживаются лишь такие весьма плотные космические объекты, как нейтронные звёзды (или даже гораздо массивнее), отнесение же таких массивных объектов к категории черных дыр в определенной мере условно (это делается просто в предположении верности ОТО, которая является для астрофизиков «стандартной теорией» — то есть теорией, достаточно хорошо соответствующей текущим экспериментальным и наблюдательным данным, но выбранной из ряда других в качестве основной в значительной мере условно).

Квантовая теория гравитации[править | править код]

Несмотря на полувековую историю попыток, гравитация — единственное из фундаментальных взаимодействий, для которого пока ещё не построена непротиворечивая перенормируемая квантовая теория. При низких энергиях, в духе квантовой теории поля, гравитационное взаимодействие можно представить как обмен гравитонами — калибровочными бозонами со спином 2 (если исходить из концепции ОТО), или со спином 1 или 0 для лоренц-инвариантной теории гравитации (ЛИТГ).

Проблемой здесь является то, что при высоких энергиях описание для ОТО перестаёт работать. Поэтому в настоящее время квантовая гравитация является предметом интенсивных теоретических исследований.