Экспериментальная проверка общей теории относительности

Нет ничего глупее желания всегда быть умнее всех.

Ф. Ларушфуко

Общая теория относительности (ОТО) в законченном виде была сформулирована А. Эйнштейном в 1915 г. К этому же времени им уже были указаны также три астрономических эффекта, могущих служить для проверки теории: гравитационное смещение спектральных линий, отклонение световых лучей в поле Солнца и смещение перигелия Меркурия.

Эйнштейн придавал принципу эквивалентности глубочайшее физическое значение. Равенство инертной и гравитационной масс означает, что тяготение и инерция — одно и то же явление. Причина тяготения, разгадка его механизма — в свойствах пространства. Это уже не пассивная арена для физических процессов, структура пространства непостоянна, его свойства изменяются в соответствии с распределением и движением в нем материи. Наличие больших масс материи (Солнце) приводит к изменению свойств пространства. Эти неоднородности искривляют движение любых масс, которые оказываются вблизи притягивающего центра. Описание явления тяготения принципиально меняется. По Ньютону, это движение под действием силы тяготения, по Эйнштейну, это свободное движение тел в искривленном пространстве-времени. Загадка движения Меркурия находит при этом естественное объяснение, ведь Меркурий ближе к Солнцу, чем все другие планеты, т. е. движется в гораздо более сильном гравитационном поле. В таких полях теория тяготения Ньютона «не работает».

В 1845 г. Леверье заметил, что движение ближайшей к Солнцу планеты Меркурий не может быть рассчитано по ньютоновской теории. Орбиты всех планет представляют собой эллипсы, ближайшие к Солнцу точки которых (перигелии) смещаются по кругу. Наибольшее смещение наблюдается у Меркурия. Оно составляет 532" в 100 лет. Расчеты по формулам Ньютона дают величину, на 43" меньшую.

Эйнштейн вывел общие уравнения тяготения в криволинейном пространстве-времени, связывающие геометрические свойства пространства с распределением в нем материи:

Здесь Rmn — тензор Риччи (отражает геометрические свойства пространства); R — скаляр кривизны, получаемый из тензора Риччи путем математической операции свертки; gmn — метрический тензор; Ттп — тензор энергии-импульса, отражающий свойства материи; тип — целые числа; у — гравитационная постоянная Эйн- 8 kG

штейна, у--.

л с4

Уравнения Эйнштейна представляют собой систему из десяти нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных второго порядка (в теории тяготения Ньютона содержится, как известно, одно дифференциальное уравнение второго порядка). Общего решения этих уравнений при произвольных начальных условиях нет.

Теория получает признание тогда, когда на ее основе находят объяснение непонятные факты или подтверждаются предсказываемые ею новые явления. Так было и с общей теорией относительности. Решая уравнения, Эйнштейн получил значение смешения перигелия Меркурия, точно соответствующее многовековым наблюдениям.

Наиболее убедительным доказательством справедливости теории явилось экспериментальное подтверждение предсказанного Эйнштейном искривления световых лучей в сильном поле тяготения Солнца. Поскольку фотоны также обладают массой, они должны притягиваться Солнцем, что приводит к изменению кажущегося положения звезд, наблюдаемых вблизи Солнца во время солнечного затмения. В 1919 г. ученые выполнили измерения смещения положения звезд во время солнечного затмения. Этот же участок неба был сфотографирован тогда, когда Солнце ушло далеко от него. Наложение снимков четко показало смещение положения звезд, причем его величина точно согласовывалась с расчетами по общей теории относительности.

Отклонение световых лучей в поле Солнца (оно, согласно ОТО, достигает 1,75 угловой секунды при прохождений луча непосредственно вблизи диска Солнца) наблюдают начиная с 1919 г. К сожалению, соответствующие измерения даже при современной технике производятся только во время солнечных затмений. Так или иначе, но оптическим методом эффект хотя и обнаружен и находится в согласии с ОТО, но измерен с погрешностью около 10 %. Столь низкая точность служила основанием (или оправданием) для рассмотрения неэйнштейновских теорий тяготения (т. е. теорий гравитационного поля, отличных от ОТО) [10].

Однако для проверки ОТО можно с равным правом использовать не свет, а радиоволны. Отклонение вблизи Солнца радиоволн, идущих к нам от квазаров, удалось измерить, причем ОТО подтвердилась уже с погрешностью примерно 1 %. Такая же точность достигнута при радиолокационных измерениях релятивистского эффекта запаздывания сигналов, отражающихся от Венеры и Меркурия и проходящих вблизи Солнца. Этот эффект запаздывания, эквивалентный по своей физической природе отклонению световых лучей в гравитационном поле Солнца, достигает 2 • 1СИ с (таково релятивистское запаздывание, когда сигнал проходит вблизи края Солнца, для чего, разумеется, лоцируемая с Земли планета должна находиться в конфигурации расположения, называемым верхним соединением). При использовании же искусственных спутников

Марса (речь идет о «Викингах») релятивистское запаздывание сигналов удалось измерить еще точнее, и оно согласуется с теорией с погрешностью около ОД %.

В случае гравитационного смещения частоты погрешность измерений составляла примерно 1 %. Лишь в 1979 г. были опубликованы измерения, согласующиеся с теорией с погрешностью 0,01 %. Вместе с тем нужно подчеркнуть, что предсказываемое гравитационное смещение частоты очень мало чувствительно к виду теории гравитации, и поэтому его измерение не является хорошей проверкой именно ОТО.

К числу интересных и могущих наблюдаться уже в слабом поле эффектов ОТО относится линзоподобное действие масс (звезд, галактик) на проходящие вблизи них электромагнитные волны (радиоволны, свет и т. д.). Расчет такой гравитационной линзы был опубликован Эйнштейном в 1936 г., а в 1979 г. было высказано предположение, что двойной квазар представляет собой на самом деле два изображения линзой одного квазара (роль гравитационной линзы играет находящаяся примерно на половине пути между квазаром и нами эллиптическая галактика). В справедливости такой интерпретации теперь уже нет сомнений. Эти и аналогичные наблюдения гравитационных линз могут и должны использоваться, конечно, не для проверки ОТО (ОТО в слабом поле уже проверена со значительно большей точностью, чем та точность, которая нужна при расчете гравитационной линзы-галактики), а для получения ценной астрономической информации на основе сопоставления расчетов с наблюдаемой картиной [10].

Итак, сейчас можно лишь утверждать, что даже для слабых полей, т. е. в случае малости параметра ср/с2 (здесь ф — гравитационный потенциал тела, в частности Солнца, тогда для поверхности Солнца имеем ф/с2 = GM/(Rc2) = 2,12 • 10_6), ОТО проверена с погрешностью в лучшем случае около 0,1 %. В современной физике такая точность не производит впечатления, и еще остаются по крайней мере некоторые основания для обсуждения отличных от ОТО теорий гравитации. Отставание в области экспериментальной проверки ОТО обусловлено как малостью эффектов, доступных наблюдению на Земле и в пределах Солнечной системы, так и сравнительной неточностью соответствующих астрономических методов. В последнее десятилетие, однако, положение изменилось в результате применения межпланетных ракет, радиометодов и т. д. Поэтому перспективы проверки ОТО с погрешностью, даже меньшей 0,01 %, представляются весьма хорошими.

По-настоящему актуальна проверка ОТО в сильных полях — для нейтронных звезд (на их поверхности | ф | /с2 ~ 0,1-Ю,3), вблизи черных дыр и, вообще, для черных дыр. Так, недавно предложен метод проверки ОТО в сильном поле по колебаниям излучения в двойной звезде, одна из компонент которой является нейтронной звездой. Хотя черные дыры и можно было вообразить себе в дорелятивист- ской физике, но по сути дела — это замечательный релятивистский объект.

Уже само их обнаружение явилось бы по крайней мере качественным подтверждением справедливости ОТО и в сильных гравитационных полях. Количественные же измерения вблизи шварц- шильдовского радиуса, определяющего размер черной дыры, или, говоря несколько грубее (но и более общо, если иметь в виду вращающиеся черные дыры), вблизи черных дыр, могут послужить и для детальной проверки ОТО.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >