Впрочем, не будем забегать вперед и вернемся к 1920-1930-м годам - ко времени активного
проникновения физики в микромир и формирования языка, адекватного его свойствам - квантовой механики, позднее - квантовой
электродинамики и еще шире - квантовой теории поля. Квантовая теория поначалу строилась в рамках старых, ньютоновских
понятий абсолютного пространства и абсолютного времени (нерелятивистская квантовая механика) и с немалыми усилиями осваивала
мир высоких скоростей и больших энергий, обретая содержание в четырехмерном пространстве - времени Минковского.
|
Понимание гравитации как кривизны пространства придавало ОТО исключительный характер по
сравнению со всей остальной физикой, а это противоречило важному как для философов, так и для физиков ощущению единства
материального мира. С другой стороны, в самом теоретическом выстраивании ОТО возникал ряд важных проблем, одна из них
известна как проблема энергии. Понятия энергии и других сохраняющихся величин играют весьма существенную роль в построении
|
Стивен Хокинг - один из наиболее активных исследователей черных дыр, профессор Кембрид-жского университета.
|
Многомерные пространства |
Одна из трех ультракриогенных гравитационных антенн, предназначенных для поиска сигналов от взрыва сверхновых звезд.
|
|
квантовой теории. В плоском пространстве без затруднений формулируются законы сохранения энергии, импульса, момента
импульса - они, как известно, связаны с симметрией пространства относительно временных сдвигов, пространственных трансляций
и поворотов. В кривом пространстве подобных симметрий нет, поэтому определить энергию и импульс гравитационного поля в ОТО
без противоречий было затруднительно.
По этой и некоторым другим причинам не все физики согласились с ОТО. Попытки построения теории
гравитации в неискривленном пространстве Минковского продолжаются и по сей день. В отличие от первых подобных попыток новые
авторы научились объяснять эффекты, 'сделавшие имя' ОТО: в них гравитация представляется полем с нормальными законами
сохранения и с надеждами на квантование наравне с другими физическими полями. Согласно книге 'Теория и эксперимент в
гравитационной физике' известного американского специалиста в области релятивистской теории гравитации К. Уилла, к 1960
году таких теорий насчитывалось не менее 25. Но ни тогда, ни впоследствии они не вызвали сколько-нибудь заметного интереса,
хотя их приверженцы с этим не согласятся. А вот тенденция к 'сведению всей физики к геометрии' породила целый ряд новых
идей, которые и поныне остаются актуальными в теоретической физике. В этой связи ОТО рассматривалась как основа для
обобщения, которое достигалось за счет введения более сложных видов геометрии, чем риманова (Вейль, Эддинстон, Картан),
повышения размерности пространства - времени путем введения дополнительных невидимых координат (Калуца, Клейн), расширения
требований к симметрии исходной формулировки теории (принцип калибровочной симметрии Вейля). Ставилась амбициозная задача,
которая выходила за рамки простого объединения электромагнитного и гравитационного полей - получить из единого поля заодно
и характеристики тех немногих элементарных частиц, которые к тому времени были уже известны. Альберт Эйнштейн не только не
остался в стороне от этих усилий, но и был явным лидером построения единой теории поля на основе ОТО, оставаясь таковым
до конца жизни... Впрочем, описание этих попыток только отдаляет нас от основной темы - гравитации. Приведем слова,
сказанные одним из создателей квантовой механики, Вернером Гейзенбергом, в начале 1960-х: 'Это великолепная в своей основе
попытка... Но в то самое время, когда Эйнштейн занимался единой теорией поля, непрерывно открывались новые элементарные
частицы, а с ними - сопоставленные им новые поля. Вследствие этого для проведения эйнштейновской программы еще не
существовало твердой эмпирической основы, и попытка Эйнштейна не привела к каким-либо убедительным результатам'... Более
того, задача построения единой 'теории всего на свете' остается центральной задачей теоретической физики на ближайшее
будущее.
К концу 1950-х физике были известны уже не два, а четыре фундаментальных взаимодействия -
гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное (объединяющее протоны и нейтроны в атомные ядра) и слабое ядерное
(отвечающее за многие превращения частиц и ядерные реакции, к примеру бета - распад). Причем гравитационное взаимодействие
в этом ряду представлялось чем-то малосущественным - применительно к частицам оно было во много раз слабее даже слабого
взаимодействия и казалось совершенно неважным в физике микромира. Все новые и новые экспериментальные данные о трех
остальных взаимодействиях добывались на ускорителях. Бурно развивалась квантовая теория поля в плоском пространстве-времени
на основе СТО, ставя и решая проблемы физики элементарных частиц. На этом фоне занятия гравитацией казались едва ли не
чудачеством. Важность ОТО как фундаментальной теории признавалась, но ее экспериментальный базис был невелик: один эффект
(в движении Меркурия) - проверка с точностью около 1% и один (отклонение света вблизи Солнца) - с точностью около 30%.
Космологические наблюдения могли свидетельствовать лишь о нетривиальности геометрии Вселенной, но никак не о справедливости
тех или иных уравнений гравитации. Американцу Кипу Торну, в то время студенту, а ныне одному из корифеев гравитационной
физики, его учителя не советовали заниматься ОТО - теорией, по их мнению, очень слабо связанной с остальной физикой и
астрономией. Но он не послушался и стал не только выдающимся специалистом в области гравитационных волн, но и исследователем
гипотетических пространственно-временных туннелей.
Ситуация стала меняться только в конце 1950-х - начале 1960-х. Развитие экспериментальной
техники позволило запланировать и осуществить ряд новых проверок теории гравитации, а астрономические наблюдения все
убедительнее свидетельствовали о реальности источников сильных гравитационных полей в космическом пространстве. Возросло
и число альтернативных теорий гравитации. Были предсказаны десятки новых эффектов, сопровождаемые не меньшим числом
предложений по их проверке.
|
Наше привычное и гладкое пространство, оказывается, в прямом смысле слова "кипит" и "дышит" на микроуровне, где начинают проявляться квантовые свойства гравитации.
|
Квантовые свойства гравитации |
На этом фоне еще более поразительным выглядит то обстоятельство, что именно ОТО подтверждается
со все возрастающей точностью. Так, один из столпов теории - принцип эквивалентности - сегодня проверен с фантастической
точностью (одна 10-миллиардная доля процента).
Впрочем, похоже, что возможности экспериментов на поверхности Земли на этом себя и исчерпали -
слишком уж мешают исследованиям многочисленные атмосферные, сейсмические и техногенные шумы. Считается, что существенно
повысить точности позволит планируемый спутниковый эксперимент STEP (Satellite Test of the Equivаlеnсе Principle). Принцип
эквивалентности предсказывается всеми обобщениями ОТО, в которых гравитация отождествляется с кривизной.
Другим, не менее универсальным эффектом, одинаковым для целого класса теорий, представляется
так называемое гравитационное красное смещение. Суть его проста и заключается в том, что фотон, удаляясь от тяготеющего
центра, теряет энергию и перемещается в более длинноволновую часть спектра - иначе говоря, 'краснеет'. А приближаясь к
тяготеющему центру - 'голубеет'. Для сравнения: камень, подброшенный вверх, теряет скорость, а падающий вниз - увеличивает
ее. В ОТО этот эффект связывается с замедлением хода часов: чем ближе они к источнику гравитационного поля, тем их ход
медленнее. Проверен он как для фотонов (опыты 1965 года с резонансным поглощением гамма-фотонов атомными ядрами), так и
непосредственно для часов (сдвиги показаний прецизионных атомных часов при полетах на самолетах).
В действительности это тот самый эффект, который превращает ОТО из абстрактной теории в реально
работающий инструмент. Глобальные спутниковые навигационные системы типа GPS, активно используемые моряками, военными и
спасателями, включают в себя сверхточные часы. На точность их хода влияют и скорость спутника (эффект СТО), и гравитационное
поле 3емли (эффект ОТО), поэтому поправки на все это закладываются в программы обсчета сигналов, и летающие часы
периодически 'замедляют' с тем, чтобы они шли, как земные. Причем за один оборот спутника вокруг Земли набирается такая
разность хода часов, пренебрежение которой ведет к ошибке в 50-100 м при определении координат наземного приемника.
Эффект отклонения света (и радиоволн) - также многократно и с большой точностью
перепроверенный - стал основой теории гравитационного линзирования - главного метода обнаружения сгyстков скрытого вещества
во Вселенной. Еще одно подтверждение ОТО - измерение задержки электромагнитного сигнала в поле Солнца (эффект Шапиро).
Эта задержка обусловлена не замедлением скорости хода сигналов (скорость света всюду одинакова), а удлинением их пути по
сравнению с расчетным для плоского пространства. Опыты состояли в активной радиолокации космических аппаратов, и наиболее
точные данные были получены с помощью орбитального и спускаемого аппаратов серии 'Викинг', запущенных на Марс в 1977 году.
Эффект составил ни много ни мало около 250 микросекунд, тогда как сами сигналы путешествовали в межпланетном пространстве
около часа.
В целом эффекты ОТО в Солнечной системе представляют собой малые поправки к предсказаниям
классической физики, и проверены они с точностью до десятых долей процента.
Космос в свете ОТО
И все же куда более интересных явлений следует ожидать в сильных гравитационных полях. Их ищут
и находят: теоретики - с помощью математических выкладок и рассуждений, астрономы - с использованием все более совершенных
приборов. Так, нейтронные звезды, существование которых еще в 1930-х
годах предсказывали Оппенгеймер и Волков (кстати,
на основе уравнений ОТО), были открыты в 1967 году в виде радиопульсаров. Бурное развитие астрономии и физики пульсаров
привело, помимо прочего, и к новым подтверждениям ОТО. Пульсары - сверхплотные объекты с массами порядка солнечной и
размерами порядка нескольких километров - часто находятся в двойных системах и порой довольно тесных. Высокая стабильность
пульсарных 'часов' дает возможность неплохо отслеживать небесную механику такой двойной системы. Так пришло подтверждение
выводов ОТО о вековых сдвигах перицентров (точки орбиты, ближайшие к центру, они же перигелий - для околосолнечных и
перигей - для околоземных орбит) в двойных системах.
Еще одно известное и едва ли не самое экзотическое предсказание ОТО - черные дыры. Современная
астрофизика рассматривает их как вполне реальные космические объекты, возникающие в результате гравитационного коллапса
тяжелых звезд и часто присутствующие в центрах галактик. Любопытно, что уже первое точное решение уравнений Эйнштейна,
полученное в 1916 году немецким астрономом К. Шварцшильдом и характеризующее статическое поле тяготеющего центра, содержит
описание простейшей черной дыры. Хотя полное понимание свойств решения Шварцшильда было достигнуто лишь в 1960 году. С
того же времени физика черных дыр развивается как самостоятельное направление исследований, которое уже привело к ряду
интересных и во многом основополагающих результатов.
Еще одна область для обсуждения теоретических основ ОТО - это сингулярности (уходы в
бесконечность), которые скрываются за горизонтами черных дыр. Это - точки, линии или поверхности, в которых пространство -
время теряет гладкость, а величины, характеризующие кривизну, обращаются в бесконечность. Сингyлярности могут быть связаны
с бесконечными плотностями и давлениями материи, но встречаются и чисто геометрические, например в решениях уравнений
Эйнштейна в вакууме - в отсутствие материи. Неизбежность сингулярностей в решениях ОТО при очень общих условиях доказана в
целом ряде теорем, и это указывает на то, что ОТО, по-видимому, не совсем точна при описании сверхсильных гравитационных
полей.
Две теории - два мира: ученые внесшие значительный вклад
|
|
|
Альберт Эйнштейн (1879-1955)
|
Жюль-Анри Пуанкаре (1854-1912)
|
|
|
Альберт Майкельсон (1852-1931)
|
Герман Минковский (1864-1909)
|
В отличие, скажем, от горизонта (границы) черной дыры (гладкой поверхности, работающей по
принципу 'всех впускать, никого не выпускать') синryлярности представляют для теории реальную проблему: исходя из самой
теории, указывают границы ее применимости или же места, где она перестает работать. Таким образом, ОТО сама подсказывает
необходимость выхода за ее рамки. В связи с этим существуют предложения, связанные с попытками учесть квантовые явления.
Хотя взаимоотношения гравитации и квантовой теории - отдельная и достаточно сложная история. Существует несколько способов
получения квантовых версий ОТО, которые приводят к принципиально разным результатам. По этой причине многие специалисты
полагают, что квантовая гравитация должна строиться не на основе ОТО, а на основе более общей и более глубокой теории,
объединяющей гравитацию с другими взаимодействиями.
Совершенство бесконечности
На сегодняшний момент практически треть ежегодно представляемых научных работ в области
гравитации так или иначе оказывается в области классической ОТО и ее астрофизических и космологических приложений.
Совершенствуется математический аппарат, включая методы поиска решений уравнений Эйнштейна, находятся новые решения и
анализируются старые, обсуждаются принципиальные вопросы и рассчитываются наблюдаемые эффекты. В экспериментальном
разделе много работ, предлагающих попытки регистрации гравитационных волн, а также предложения о проведении измерений в
космосе. Есть раздел альтернативных подходов, среди которых на почетном месте многомерные теории и теории объединения
взаимодействий, включая гравитацию.
Разработчики обобщений ОТО преследуют довольно разнообразные цели. Это и попытки преодолеть ее
трудности, сохранив или усилив достоинства, и стремление учесть принципы и явления, в ОТО не представленные. Но, пожалуй,
главное во всех новых теориях - это подход к гравитации как к составной части будущей 'теории всего на свете'. Объединенные
модели гравитации, как правило, используют более сложные геометрические структуры, чем четырехмерная риманова геометрия, а
также новые физические поля, помимо метрики. Многие из них используют идеи, выдвинутые еще в начале 1920-х годов. И все же
каждая из таких теорий при наложении некоторых ограничений сводится к ОТО. Как и в ОТО, в них ведется поиск решений,
представляющих физический интерес (черные дыры, космологические модели и так далее), и предсказаний, допускающих проверку
наблюдениями.
Таким образом, несмотря на блестящий экспериментальный статyс ОТО, большинство современных
специалистов рассматривают ее не как последнее слово в этой области физики, а как низкоэнергетический предел пока еще не
известной фундаментальной теории - скорее всего многомерной и объединяющей все взаимодействия.
А значит, скорее всего, ОТО предстоит повторить судьбу теории Ньютона - отступить с переднего
края исследований в глубокий тыл, став всего лишь важным предельным случаем новой, еще более совершенной теоретической
конструкции.
|