Занимательно о космологии - Томилин Анатолий Николаевич - Страница 50

Конечно, приведенные данные не должны восприниматься как окончательная опытная проверка общей теории относительности и будто дальше тут делать нечего. Отнюдь, опыты нужно продолжать, все время повышая и повышая точность их результатов с помощью новых технических средств. Об этом говорит и академик В. Л. Гинзбург, предлагая использовать для наблюдения отклонения световых лучей, проходящих вблизи Солнца, аппаратуру на баллонах, поднятую в зону сильно разреженной атмосферы и на спутниках. Это дало бы возможность измерить отклонение световых лучей независимо от затмений.

Наблюдаемый поворот перигелия Меркурия совпадает с теоретическим значением в пределах достигнутой точности в 1 процент. Но если запустить искусственную планету с орбитой, обладающей большим эксцентриситетом, то формулу теории относительности удалось бы проверить со значительно большей точностью. Правда, на пути этого эксперимента пока стоят сложности как технического характера (запуск космического летательного аппарата на орбиту с очень большим эксцентриситетом и способы слежения за ним), так и теоретического (пока не ясно, как учитывать световое давление и солнечный ветер, а также влияние возможной сплющенности Солнца).

Наконец проверке выводов ОТО поможет уточнение орбиты естественного спутника Земли. Для этого советский луноход доставил на поверхность Луны уголковые лазерные отражатели.

Есть и еще возможности для проверки общей теории относительности, кроме указанных Эйнштейном экспериментов. Например, релятивистский эффект при радиолокации планет. Согласно теории в поле тяготения световой луч не только должен искривляться, но и запаздывать. То есть время, необходимое световому сигналу для того, чтобы долететь от Земли до Венеры или Меркурия, проходя вблизи Солнца, нужно большее, чем в том случае, когда сигнал летит к планетам вдали от тяготеющей массы нашего светила. Правда, это время запаздывания крайне невелико, не больше 2·10^-4 сек., но оно должно существовать. Значит, его можно и нужно обнаружить. Пока этот эксперимент произведен с небольшой точностью, порядка 20 процентов. Но совсем недавно группа американских исследователей под руководством Андерсона проверила этот эффект при связи с искусственным небесным телом, запущенным американцами межпланетным кораблем «Маринером». И теоретические предположения подтвердились уже с точностью до десяти процентов.

Самостоятельным и чрезвычайно интересным экспериментом по проверке ОТО могло бы служить наблюдение релятивистской прецессии оси гироскопа, заключающейся в дополнительном повороте оси по сравнению с данными согласно классической теории. Уравнения общей теории относительности позволяют вычислить эту добавку. Такой эксперимент три года назад находился в стадии подготовки.

И наконец блестящее доказательство дало бы наблюдение гравитационных волн. Ведь в классической теории Ньютона предполагается, что распространение действия силы тяготения происходит мгновенно. И потому никаких «волн тяготения» в вакууме существовать не может. Другое дело в ОТО. В теории гравитационного поля волны тяготения неизбежны, как неизбежно существование волн электромагнитных. Однако это эксперимент чрезвычайной сложности.

В 1970 году появилось сообщение профессора Дж. Вебера о том, что ему якобы удалось зарегистрировать гравитационные волны. Но пока никому не удалось ни повторить его результат, ни найти адреса, откуда они пришли. Тем не менее факт этот настолько интересный, что на гравитационных конференциях всего мира опыт Вебера непрерывно находится в центре внимания.

Проверять нужно! Но это не значит, что проверка предполагает недоверие. Результаты проверок помогут уточнить положения теории и показать направление нового развития. Потому что не следует забывать слова самого творца общей теории относительности о том, что каждая теория услышит в конце концов свое нет.

Сейчас мы можем сказать, что на существующем уровне развития науки и техники не выявлено никаких противоречий при проверке основ и следствий общей теории относительности, «и в этом отношении нет никаких указаний на несправедливость или ограниченность области применения эйнштейновской ОТО (имеем в виду, конечно, лишь макроскопические явления, или, точнее, неквантованную область). Все следствия, которые вообще удалось наблюдать по мере уточнения данных, все лучше и лучше согласуются с ОТО» — так пишет академик В. Л. Гинзбург, оценивая последние результаты проверки общей теории относительности Эйнштейна. Эта теория стала надежной базой современной космологии.

Несколько месяцев спустя после опубликования Эйнштейном работы, содержащей гравитационные уравнения, немецкий астроном Карл Шварцшильд (1873–1916) получил их первое «строгое» решение.

Карл Шварцшильд — директор Потсдамского астрофизического института, в 1912 году стал членом Прусской академии наук. Свободно владея математическими методами, он, по словам Эйнштейна, с легкостью «разгадывал наиболее существенное в астрономических или физических вопросах». У Шварцшильда, несмотря на его недолгую жизнь (умер Шварцшильд в 42 года), много важных и исключительно изящных исследований. Он занимался звездной статистикой и теорией Солнца. Интересны его работы по основам электродинамики.

О проницательности Шварцшильда говорит тот факт, что уже в 1900 году на XVIII конгрессе Немецкого астрономического общества в Гейдельберге он сделал доклад о мере кривизны пространства. Следует помнить, что теории относительности еще не было, но Шварцшильд уже понимал важность неэвклидовой геометрии для описания вселенной. Он говорил: «…можно, не противореча очевидным фактам, представить вселенную заключенную в гиперболическом (псевдосферическом) пространстве с радиусом кривизны более 4 000 000 радиусов земной орбиты или в пределах конечного эллиптического пространства с радиусом кривизны более 100 000 000 радиусов земной орбиты…»

Сегодня мы знаем, что возможный радиус кривизны вселенной должен быть значительно больше величин, предложенных Шварцшильдом, но в его работе была поставлена смелая задача решения «космологической проблемы» нашего времени.

В последние годы своей жизни он занялся новой теорией гравитации и первым применил выводы общей теории относительности к задаче нахождения гравитационного потенциала поля, которое создает массивное сферическое тело в окружающем пространстве. Другими словами, он решал задачу определения картины поля тяготения звезды в окружающем пространстве. На достаточно большом расстоянии от этой массы решение дает хорошо известный каждому школьнику потенциал тяготения по закону Ньютона. Вообще, если тело — источник тяготения — имеет умеренную массу, например, является обычной, заурядной звездой типа Солнца, то шварцшильдовское решение не так сильно отличается от ньютонова. Но давайте заставим звезду сжиматься.

Описание подобной ситуации дает в своей популярной книге «Загадка гравитации» Петер Бергман. Однако значительно подробнее об этом написано в серьезной книге Я. Б. Зельдовича и И. Д. Новикова «Релятивистская астрофизика». Для целей же ознакомительных нам достаточно лишь общего взгляда.

Итак, чем меньше становится объем звезды, тем выше ее плотность, тем сильнее проявляются гравитационные поля. Тем больше становится кривизна пространства-времени около такого тела. Мы уже знаем, что кривизну можно описывать с помощью радиуса кривизны. При этом чем больше сама кривизна, тем меньше радиус, ее измеряющий. Если радиус кривизны ненамного превышает размеры самого тела, то поле около него может считаться «сильным». Чтобы представить себе это положение более наглядно, допустим на мгновение, что вся масса нашей Земли сконцентрирована в точке. Тогда радиус кривизны пространства-времени окажется равным примерно одному сантиметру. Если такую же операцию проделать с Солнцем, кривизна пространства-времени сможет быть обнаружена на расстоянии порядка полутора километров от центральной точки. Это расстояние становится равным так называемому гравитационному радиусу.