Журнал «Вокруг Света» №04 за 2004 год
Шрифт:
Полное солнечное затмение 29 мая 1919 года дало ученым возможность измерить этот эффект, фотографируя изображения звезд рядом с закрытым Луной солнечным диском и сличая полученные кадры с обычными ночными снимками того же участка звездного неба. На картинках с затмением звезды оказались чуть-чуть отодвинуты от края диска по сравнению с их ночными положениями. Угол отклонения варьировался, по данным разных наблюдателей, в пределах от 1,61 до 1,98 угловой секунды возле края диска, постепенно уменьшаясь по мере удаления от него, при ошибке в пределах 0,30. Таким образом, небо подтвердило правоту Эйнштейна!
Это стало подлинным триумфом — теория, рожденная на кончике пера, отлично подтверждалась на практике. И до сих пор успешно проходит все экспериментальные тесты.
Синтез физики с геометрией
Впрочем, не будем забегать вперед и вернемся к 1920—1930-м годам — ко времени активного проникновения физики в микромир и формирования языка, адекватного
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 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, Эддингтон, 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.
Гравитационный прорыв
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.
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 Equivalence 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 Земли (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 сгустков 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.