Теория гравитации эйнштейна. Теория гравитации

Теории гравитации альтернативные ОТО

Ничто не делает нашу жизнь столь

приятной, как ее неизбежная

альтернатива.

Народная мудрость

Все течет, все изменяется. Было время, казалось, что лучшей теории гравитации, чем ньютоновская, незачем желать. Но шаг за шагом общая теория относительности «занимала свое место под солнцем». Осталось всего несколько лет до ее 100-летнего юбилея. Каков же сейчас ее статус? Без сомнения, ОТО является самой востребованной теорией гравитации, прежде всего, в астрофизике и космологии. Теория строения и эволюции звезд, особенно на заключительных этапах; эффекты на поверхности компактных и сверхплотных объектов; космологические модели в разные эпохи эволюции и многое другое не могут быть удовлетворительно рассчитаны без использования ОТО. На основе эффектов, предсказанных ОТО, создаются целые направления исследований - поиск гравитационных волн, исследование гравитационных линз и т. д. Являясь частью теоретической физики, ОТО используется также во многих фундаментальных исследованиях.

Фактически сразу после подтверждения классическими тестами ОТО завоевала невиданную популярность. Но, конечно, измерениями отклонения луча света далекой звезды в гравитационном поле Солнца, смещения перигелиев планет в Солнечной системе, а также красного гравитационного смещения в поле Земли дело не закончилось и не могло закончиться. В течение всего времени после ее завершения в 1915 году, как основные принципы, так и уравнения непрерывно проверяются и перепроверяются со все возрастающей точностью. Однако результатов, которые бы противоречили ОТО, так и не было получено. Мало того, она давно используется в практических целях, таких как расчет орбит спутников, планет и траекторий межпланетных аппаратов.

Можно сказать, что эффекты ОТО уже используются и в быту: для повышения точности систем навигации и слежения типа GPS. Постоянно на орбитах на высоте 20 000 км находится от 24 до 27 спутников. Для повышения точности используются сигналы от нескольких спутников, обмен сигналами с устройствами на Земле. Для этого необходима строгая синхронизация часов на всех объектах. Оказывается точности атомных часов недостаточно. Необходимо учитывать замедление хода часов, которое происходит, согласно ОТО, в гравитационном поле Земли. Другими словами, одни и те же часы на Земле идут медленнее, чем на орбите. Для высоты 20 000 км эта разница составляет 38 мкс в сутки и приведет к ошибке в определении расстояния до 10 м. Чтобы компенсировать этот эффект, ход часов «по паспорту» на орбите настраивают медленнее. Если их спустить с орбиты и поместить рядом с земными - они будут запаздывать на 38 мкс в сутки.

До сих пор наше изложение фактически демонстрировало успехи ОТО, и может показаться, что в силу этой радужной картины, кроме ОТО никакие другие теории не рассматривались, ничего другого не предлагалось, или вовсе все «неэйнштейновское» наотмашь отметалось. Вовсе нет. Деятельность по созданию теорий гравитации была и остается очень бурной. Развитие теорий и их активная и всесторонняя проверка продвигались рука об руку весь XX век и далее.

Большинство проверок могут быть отнесены к специальным классам, предложенным американским релятивистом Клиффордом Уиллом в 2001 году:

Простейшие основания.

Эйнштейновский принцип эквивалентности.

Параметризованный пост-ньютоновский формализм.

О соответствии двум последним классам поговорим ниже, а сейчас обсудим, что же такое «простейшие основания»?

В начале 1970-х годов группа ученых из Калифорнийского технологического института под руководством идеолога проекта LIGO профессора Кипа Торна, а также Клиффорда Уилла и тайваньского физика Вей-Тоу Ни составила список теорий гравитации XX века. По каждой теории они задались следующими вопросами по проблеме простейших оснований:

Является ли теория самосогласованной?

Является ли она полной?

Согласуется ли она, в пределах нескольких стандартных отклонений, со всеми проведенными к настоящему времени экспериментами?

Критерий «согласование со всеми экспериментами, проведенными к настоящему времени», часто заменялся критерием «согласования с большинством следствий механики Ньютона и специальной теории относительности».

Самосогласованность неметрических теорий включает требования, например, отсутствия в ее решениях тахионов, гипотетических частиц, движущихся со скоростями больше световой; отсутствия проблем в поведении полей на бесконечности и т. п.

Для того чтобы теория гравитации была полной, она должна быть способна описать результаты любого мыслимого эксперимента, она должна быть совместной с другими физическими теориями, подтвержденными экспериментом. Например, любая теория, которая не может из первых принципов предсказать движение планет или поведение атомных часов, является неполной.

Примером неполной и несамосогласованной теории может служить теория тяготения Ньютона в сочетании с уравнениями Максвелла. В такой теории свет (как фотоны) отклоняется гравитационным полем (хотя и вдвое слабее, чем в ОТО), а свет (как электромагнитные волны) - нет.

Если теория не проходила по этим критериям, то ее, тем не менее, не спешили отбрасывать. Если теория была неполна в своих основах, группа пыталась дополнить ее с помощью малых изменений, обычно сводя теорию в отсутствие гравитации к специальной теории относительности. Только после этого делался вывод, достойна ли она дальнейшего рассмотрения. Теорий, которые заслуживают внимания, в 70-х годах насчитывалось несколько десятков. Трудно сказать, но за последние два-три десятилетия их число, возможно, достигло сотни и более. Все зависит от ответа на вопрос, что считать одной теорией, а что классом теорий. Поэтому отбор по различным критериям проводится и сейчас, и с еще большим пристрастием. Это крайне важно, поскольку есть предпосылки, что в ближайшие десятилетия или на малых масштабах, или на больших, или одновременно ОТО будет изменена.

Проверка ОТО на масштабах планетных систем

Теперь вспомним, что основой ОТО как метрической теории является принцип эквивалентности и постулат движения по геодезическим. Известно, что этим основам, если они установлены с абсолютной точностью, удовлетворяют лишь «чисто» метрические теории (с небольшими оговорками), т. е. теории, где гравитационное поле представлено только метрическим тензором. Оказывается, что ОТО это лишь простейший вариант метрической теории. Нисколько не нарушая этих основ, можно представить бесчисленное (без преувеличения) множество метрических теорий. Как тогда можно изменить теорию? За что же зацепиться в этом случае? Конечно, лишь эксперимент и наблюдения могут поставить все на место. Но для классификации альтернативных предложений нужна своя стратегия.

Работу над стандартным формализмом для проверки альтернативных моделей гравитации начал еще в 1922 году Артур Эддингтон (1882–1944). Усовершенствование этого формализма, так или иначе, продолжалось на протяжении десятилетий, а закончили дело американские физики Клиффорд Уилл и Кеннет Нордведт в 1972 году. Ими предложен так называемый параметризованный пост-ньютоновский (PPN) формализм. Он создан для теорий либо чисто метрических, либо с эффективной метрикой, представляющей искривленное пространство-время, где происходят физические взаимодействия. Рассматриваются лишь отклонения от механики Ньютона, поэтому формализм применим только в слабых полях. В общем случае существует 10 PPN-параметров. В случае ОТО 2 из них равны единице, а остальные 8 - нулю.

Чем полезен PPN-формализм в проверке ОТО? Новые технологии позволяют достаточно точно отслеживать движения небесных тел, и современная стандартная проверка происходит следующим образом. С помощью уравнений ОТО именно в PPN виде рассчитываются траектории тел в Солнечной системе. Этот вид оказывается наиболее конструктивным. Затем их сравнивают с данными наблюдений. Современный результат таков, что соответствие теоретических PPN параметров ОТО наблюдаемымподтверждается с точностью от десятых до сотых долей процента - это очень высокая точность.

Другие точные тесты - это наблюдения двойных пульсаров: систем, состоящих из двух нейтронных звезд, их известно сейчас около десятка. Кроме этого, есть системы, состоящие из радиопульсара и белого карлика, они тоже подходят для тестов. На основании этих наблюдений вычисляются параметры орбит. Оказывается, что отклонения от кеплеровских значений совпадают с отклонениями, предсказанными ОТО, также с точностью до десятых и сотых долей процента. Специалисты испытывают большой оптимизм в перспективах повышения точности при изучении именно двойных пульсаров. Он основан на том, что нейтронные звезды имеют размеры в десятки километров в системах с размерами орбит в миллионы километров. В таких системах звезды фактически являются точечными объектами. Их внутреннее строение, внутренние движения, а также деформации практически не влияют на траектории. В отличие от этого, в Солнечной системе все эти факторы, а также влияние многочисленных «соседей» существенно ограничивают повышение точности. Резюмируя, можно сказать, что на масштабах планетных систем ОТО подтверждена с высокой точностью и точность измерений будет повышаться.

Необходимость модификации ОТО

Надо жизнь сначала переделать,

переделав - можно воспевать.

Владимир Маяковский

Однако исследования по созданию теорий альтернативных ОТО, в большей части как раз метрических, не прекращаются. Почему? ОТО хорошо подтверждается, как только что было сказано, на масштабах Солнечной системы. Проверить теорию на больших или меньших масштабах существенно сложнее. ОТО, как и любая другая теория, всего лишь модель для описания реальных явлений. Поэтому реальная природа может совпадать с предсказаниями ОТО на масштабах планетных систем, но отличаться на других масштабах.

Вместе с этим, многие современные теоретические и эмпирические данные говорят о том, что так и должно быть, и модификации необходимы. Например, во многих решениях ОТО необходимо рассматривать сильные гравитационные поля, огромные плотности и т. д. А это требует квантования гравитационного поля. Несмотря на значительные усилия, решающего успеха на этом поприще добиться не удалось. Это наводит на мысль, что на малых масштабах, где требуется квантование, гравитационная теория должна быть изменена. С другой стороны, недавнее открытие ускоренного расширения Вселенной многие ведущие специалисты склонны интерпретировать как геометрический эффект, который можно «получить», модифицировав ОТО на космологических масштабах. Независимо от этого, к необходимости изменений ОТО на больших и малых масштабах приводят результаты исследований в физике фундаментальных взаимодействий.

Если говорить о жизнеспособных теориях, то нет установившейся терминологической разницы для альтернативных, модифицированных или новых теорий. Все они, так или иначе, развивают ОТО, поскольку должны работать не хуже на тех масштабах, где она подтверждается. Разрабатывая модификации ОТО или новые теории, авторы сравнивают их с ОТО в соответствующих режимах точно так же, как ОТО сравнивается с гравитацией Ньютона. Если угодно, должен быть удовлетворен все тот же принцип соответствия, но на новом витке познания.

В настоящее время на многих конференциях по теории гравитации обобщенным (или альтернативным) теориям посвящаются целые секции, по этой тематике выходят отдельные сборники, некоторые теории становятся все более и более самостоятельными. Каковы же основные наиболее популярные и перспективные направления в этих разработках?

Во-первых, ОТО является чисто метрической (или чисто тензорной) теорией. Это означает, что геометрия пространства-времени и материя воздействуют друг на друга без посредников. Таких теорий можно построить бесконечно много (о чем мы уже говорили), и они активно разрабатываются. Как правило, уравнения этих теорий отличаются от уравнений ОТО тем, что они дополняются квадратичными и более высокого порядка по кривизне слагаемыми. Дополнительные члены обычно входят с малыми коэффициентами, которые обеспечивают согласие с наблюдениями, скажем, на масштабах планетных систем, но существенно изменяют решения на космологических масштабах.

Другой класс альтернативных теорий характеризуется тем, что воздействие друг на друга геометрии и материи осуществляется через дополнительное поле, чаще всего это скалярное или векторное поле. Однако вклад этих полей не может быть существенным. Отклонение современных альтернативных теорий от ОТО должно выразиться в разнице соответствующих PPN параметров. Чтобы оценить жизнеспособность отличной от ОТО теории (проверить ее) необходимо регистрировать отклонения от значений PPN параметров в ОТО на уровне 10–6–10-8. Это означает, что точность измерений, как в Солнечной системе, так и в двойных пульсарах, должна быть улучшена на 1–3 порядка.

Теория гравитации Хоржавы

Эта теория является одним из вариантов векторнотензорных теорий гравитации и, пожалуй, самая популярная на настоящий момент. Именно поэтому мы рассказываем о ней. Теория была предложена в 2009 году американским теоретиком-«струнником» чешского происхождения Петром Хоржавой. Она несколько отличается от обычных векторно-тензорных теорий, поскольку в ней вместо векторного поля используется градиент скалярного. С одной стороны, сохраняются свойства векторных теорий, с другой - есть специфические собственные полезные свойства.

Еще раз вспомним, что непротиворечивую квантовую теорию гравитации, в которой не было бы расходимостей, на основе ОТО создать не удалось. Поэтому предлагаются различные модификации, которые на квантовых масштабах существенно расходятся с ОТО и становятся «подходящими» для квантования. Для этого при их построении некоторые принципы, лежащие в основе ОТО, изменяются, т. е. оказываются нарушенными. Конечно, это нарушение должно быть настолько незначительным, чтобы не противоречить лабораторным тестам, и чтобы не изменилось действие теории на масштабах планетных систем, где есть хорошее соответствие с наблюдениями. Именно такой является теория Хоржавы. Мы не будем рассказывать насколько она замечательна в смысле квантования, это несколько в стороне от темы книги , зато расскажем о ее свойствах как гравитационной теории - в чем и насколько они отличны от аналогичных свойств ОТО.

Лоренц-инвариантность. Мы уже обсуждали тот факт, что ОТО как бы «выросла» из специальной теории относительности - механики высоких скоростей, сравнимых со скоростью света. Напомним, что в СТО все инерциальные системы отсчета, движущиеся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, эквивалентны. Важно вспомнить об измерениях времени в СТО. В каждой инерциальной системе отсчета часы идут в своем собственном темпе, отличном от темпа часов других систем, если их сравнивать. Однако нельзя выбрать ни «лучший», ни «худший» темп, если часы конструктивно идентичны. То есть собственное время каждой инерциальной системы равноправно в отношении других. Это означает, что в СТО нет выделенного течения времени.

Мы также говорили, что на геометрическом языке инвариантность в СТО при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой эквивалентна инвариантности относительно лоренцевых вращений во всем плоском пространстве-времени. В ОТО из-за «включения» гравитации и, соответственно, искривления пространствавремени лоренц-инвариантность во всем пространстве-времени уже невозможна. Тем не менее, ОТО остается лоренц-инвариантной локально, то есть в малой окрестности каждого наблюдателя. Эта инвариантность является одним из принципов, лежащих в основе ОТО, и связана с принципом соответствия ОТО и СТО.

Хронометрическая теория. В ряде модификаций ОТО нарушена как раз локальная лоренц-инвариантность. Среди них и теория Хоржавы. В последнее время особой популярностью пользуется одна из ее реализаций, так называемая «жизнеспособная» («healthy») непроективная версия, разрабатываемая американскими физиками Диего Бласом и Ориолом Пуйоласом и нашим соотечественником Сергеем Сибиряковым. Эффекты, обсуждаемые ниже, в основном относятся именно к этой модификации ОТО.

Итак, чем же теория Хоржавы отличается от ОТО? В дополнение ко всем обычным полям ОТО добавляют скалярное полеφ, но не обычным образом. Направление его изменения в пространстве-времени определяет специально выделенное направление времени.Именно поэтому скалярное поле называют полем хронона. Тогда поверхности постоянных значений скалярного поля - это поверхности постоянного времени, или «одновременности». В уравнения скалярное поле входит только через производные, поэтому не стоит опасаться бесконечных значений поля хронона. Существенным является только его изменение, а не значения. Поскольку в пространстве-времени есть выделенное направление, то существуют выделенные системы отсчета. Это не свойственно ни СТО, ни ОТО, но свойственно векторно-тензорным теориям. Для наглядности приведем простейший «игрушечный» пример. Одно из решений новой теории - это плоское пространство-время (такое как в СТО) плюс поле хронона, которое оказывается просто временем, φ = t. В СТО мы можем перейти с помощью лоренцевых преобразований из одной координатной системы x, t в другую x", t", где время течет по-другому. В новой теории - не можем, поскольку значение скалярного поля при координатных преобразованиях не меняются, а это есть время. Таким образом, здесь, в отличие от СТО, существуют часы, которые отсчитывают выделенное время.

Поскольку в ОТО гравитационным полем является поле метрики пространства-времени, то ясно, почему новую теорию называютхронометрической. Допустимые ограничения на параметры хронометрической теории дают возможность избежать расходимости при квантовании. Еще раз повторим: это и было главной целью ее построения. Но это теоретический успех, а проверить квантовые эффекты такого уровня сейчас вряд ли возможно.

Однако новая теория должна измениться и в классических (не квантовых) проявлениях. А это дает возможность доказать или опровергнуть ее право на существование. Далее мы покажем, в каких классических явлениях и насколько хронометрическая теория отличается от ОТО, можно ли выявить в наблюдениях эффекты новой теории, проиллюстрируем разницу для некоторых теоретических моделей. Для этого обсудим наиболее яркие, на наш взгляд, примеры.

Гравитационно-волновое излучение. Вспомним, что гравитационная волна в ОТО - поперечная, тензорная, имеет две поляризации и распространяется со скоростью света. Гравитационные волны в теории Хоржавы также существуют. Однако помимо двух уже упомянутых тензорных поляризаций имеет место скалярная степень свободы. Это означает, что под действием такой волны к движению пробных частиц добавятся продольные (в направлении распространения волны) смещения. Важно то, что тензорная и скалярная составляющие имеют разные скорости распространения. Кроме того, обе скорости, имея зависимость от параметров модели Хоржавы, должны превышать (!) скорость света, хотя и незначительно. Эти отличия от ОТО интересны, но к сожалению пока только теоретически. До сих пор нет хотя бы непосредственного детектирования гравитационных волн, поэтому фиксация отмеченных различий представляется делом отдаленного будущего.

Тем не менее существует косвенное подтверждение существования гравитационного излучения. Это наблюдения за двойными пульсарами, уменьшение размеров орбит которых свидетельствует о потере энергии на гравитационно-волновое излучение. Этот эффект находится в соответствии с ОТО с относительной точностью 10-2, о чем мы уже говорили. Но предсказания ОТО и теории Хоржавы различны. Поэтому если последняя жизнеспособна, то есть шанс, что уже дальнейшее увеличение точности выявит эти различия и уточнит параметры новой теории.

Взаимодействие частиц. Мгновенное действие. Теперь для хронометрической теории рассмотрим взаимодействие гравитационного поля с веществом. Обсудим только первое (линейное) приближение, которое может быть доступно для наблюдений. В этом порядке эффекты, связанные с нарушением лоренц-инвариантности, подавлены в силу различных причин, но поле хронона присутствует, оно включено лоренц-инвариантным образом в так называемую эффективную метрику. То есть метрика ОТО модифицируется, и материя распространяется не в исходном пространстве-времени, а в некотором эффективном пространстве-времени, причем универсальным образом. Возможно в будущем именно это взаимодействие позволит обнаружить классические явления, представленные хронометрической теорией.

В приближении слабых полей и малых скоростей пределом гравитационной теории должна стать гравитация Ньютона. В последней взаимодействие двух частиц представлено известным законом Ньютона, где сила пропорциональна массам, гравитационной постоянной, обратно пропорциональна квадрату расстояния, но не зависит от скоростей этих частиц. Присутствие поля хронона изменяет и дополняет и этот закон следующим образом. Незначительно меняется гравитационная постоянная, теперь ее называют эффективной, и появляется зависимость от скоростей. Возможность детектирования этих эффектов определяется константами связи хронометрической теории.

Влияние поля хронона проявляется также в том, что некоторые взаимодействия могут распространяться мгновенно (!), т. е. с бесконечной скоростью. Как сделан этот вывод? Обычно уравнения для возмущений содержат волновой оператор, который состоит из двух частей: пространственной и временной. Величина, обратная коэффициенту при второй части - это квадрат скорости распространения возмущений. Полное отсутствие второй части означает, что эта скорость бесконечна. Именно такую структуру имеет часть уравнений теории Хоржавы. Здесь уместно провести аналогию с теорией Ньютона. В ней точно так же, как и в хронометрической теории, выделено течение времени («абсолютное время») и гравитационное взаимодействие распространяется мгновенно.

Рис. 1. Причинно связанные события в СТО и теории Хоржавы

Как представить мгновенное распространение? Вообразите поверхность постоянного времени, тогда сигнал, распространяясь на ней (то есть без изменения времени), мгновенно проходит любые расстояния. Это недопустимо в таких релятивистских теориях как СТО или ОТО. Обратимся к диаграмме на рис. 1. Рассмотрим три точки в пространстве: A, B и C. В момент t = 0 эти точки соответствуют событиям A0, B0, C0, которые, в рамках СТО причинно не связаны. Только в момент t1 событие A0становится причинно связанным с событием B1 в точке B, а в момент t2 и с событием C2 в точке C. Как и должно быть в СТО (или ОТО), распространение сигналов жестко связано и ограничено световыми конусами. В теории Хоржавы для некоторых взаимодействий это вполне может быть не так. Мгновенное распространение означает, что все три события A0, B0, C0, в момент времени t = 0, произошли как следствие одного мгновенно распространяющегося сигнала, то есть они могут быть причинно связанными. Однако такая «фантастическая» возможность не ограничивает хронометрическую теорию решающим образом. Выделенность направления времени означает, что понятие одновременности определено однозначно, поэтому не возникает проблем с причинностью, хотя бы и такой экзотической.

Солнечная система. Для проверки какой-либо гравитационной теории при измерении движений в планетной системе используется PPN-формализм. Как в любой векторной теории, в теории Хоржавы должны присутствовать эффекты привилегированной системы отсчета.Это приводит к тому, что оказываются ненулевыми PPN-параметры группыα. Действительно, кроме двух PPN-параметров, присущих ОТО, хронометрическая теория имеет еще два: α1 и α2. Чтобы не было противоречий с наблюдениями, они должны быть достаточно малыми: α1 ≤ 10-4 и α2 ≤ 10-7 Будем ждать повышения точности измерений, тогда, возможно, существование α1 и α2 (а значит и теории Хоржавы) будет подтверждено или опровергнуто.

Черные дыры. В ОТО черная дыра представляет объект, где центральная часть, обычно сингулярная, окружена сферической поверхностью, названной горизонтом событий. Его наличие связано с тем, что в ОТО существует предельная скорость - это скорость света. Основное свойство черной дыры состоит в том, что в ОТО никакая частица, никакое поле и даже световой сигнал не могут ее покинуть, то есть уйти за пределы горизонта событий.

В хронометрической теории есть также решения, описывающие объекты типа черных дыр. Однако вспомним, что в этой теории нет предельной скорости, возможно распространение взаимодействий со скоростью большей, чем скорость света и даже мгновенно. Если бы эта возможность была в ОТО, то само понятие горизонта событий потеряло бы смысл, поскольку появляется возможность покинуть объект, находясь и на горизонте событий, и под ним. При этом появляются противоречия, связанные с термодинамикой системы, такие как уменьшение энтропии. Сейчас не известны все решения для черных дыр в теории Хоржавы в силу ее молодости, однако среди известных есть такие, которые позволяют избежать этих осложнений. Оказывается, что в черной дыре в рамках хронометрической теории может быть так называемый универсальный горизонт. Он находится под горизонтом событий («ближе» к сингулярности) и замечателен тем, что поверхности постоянного времени, находящиеся под ним, не пересекают его. Это означает, что сигнал даже бесконечной скорости (мгновенный) не может выйти из-под этого промежуточного горизонта. А для таких объектов вышеупомянутые противоречия снимаются.

На рис. 2 представлена так называемая диаграмма Пенроуза черной дыры Шварцшильда. Точки i–и i+ представляют всю временную бесконечность прошлого и всю временную бесконечность будущего, точка i0 объединяет всю пространственную бесконечность. Прямая Bi+ является горизонтом событий шварцшильдовой черной дыры - это видно из расположения световых конусов. Действительно, квадрат Bi+i0i– - это все внешнее пространство-время вне горизонта событий, в то время как треугольник i+Bi+ - это пространство-время под горизонтом событий, откуда сигнал не может выйти во внешнюю область, и где ломаная линия - это сингулярность r = 0. На диаграмму шварцшильдовой дыры наложена диаграмма черной дыры хронометрической теории. Все кривые, соединяющие i0 и i+, - это сечения постоянного поля хронона j = const, то же самое, постоянного времени (одновременности). Жирная дуга - это тот самый универсальный горизонт ζ= ζ+, под ним, ближе к сингулярности, дуги i+ i+, соединяющие концы ломаной линии - это тоже сечения постоянного времени (одновременности). Ясно, что если сигнал в хронометрической теории распространяется даже мгновенно, то есть вдоль сечений одновременности, то он не сможет пересечь универсальный горизонт и покинуть хронометрическую черную дыру.

Рис. 2. Диаграмма хронометрической черной дыры

Космология. В масштабах Вселенной теория Хоржавы также имеет шанс заявить о своей жизнеспособности. Обсудим космологические решения в новой теории. Они будут примерно такими же, как в ОТО, с той разницей, что вместо обычной гравитационной постоянной G будет фигурировать эффективная гравитационная постоянная GE. Теперь вспомним модифицированный закон Ньютона, о котором говорилось выше. Там появляется своя эффективная гравитационная постоянная, отличная от G, обозначим ее GI. Сделаны оценки для разницы: |GI - GE | ≤ 0,1.

Нет запрета на то, что в будущем будет определена значимая величина для этой разницы, но так же возможно, что она будет исключена.

На основе ОТО разработана хорошо согласованная с наблюдениями теория космологических возмущений. Она позволяет, например, объяснить структуру, то есть распределение галактик и их скоплений в доступной наблюдениям области Вселенной. Тем не менее, если при повышении точности наблюдений будет обнаружена, скажем, анизотропия, не предсказанная ОТО, то это повод обратиться к теории Хоржавы. Теория Хоржавы настолько молода, что вряд ли ее саму и выводы, сделанные на ее основе, можно считать устоявшимися и всеми признанными. Несмотря на это, как теория в целом, так и выводы, представляются очень интригующими и важными.

Многомерные модели

На протяжении всего последнего столетия различные теории гравитации конструировались, так или иначе, как самостоятельные теории, т. е. «снизу». В последние десятилетия ситуация изменилась: построение теорий гравитации стимулируется развитием фундаментальных теорий, различные модели гравитации являются их частью и «выкристаллизовываются» в границах этих теорий. То есть их создание идет «сверху». Будучи претендентами на «теории всего», фундаментальные теории включают и гравитацию.

«Теория всего» должна работать при самых фантастических условиях, в том числе при планковских энергиях. Тогда все взаимодействия выступают как единое. Поэтому построение таких теорий в определенной степени - экстраполяция. А переход от теории, работающей при самых общих условиях, к условиям нашего мира будет ее приближением, которое называетсянизкоэнергетическим. Как минимум, наблюдательные эффекты в «приближеннойтеории всего» должны иметь место в наблюдаемом нами мире. «Гравитационная часть теории всего» в низкоэнергетическом пределе приобретает привычный для нас вид, и она должна выдержать все тесты, которые выдержала ОТО. Заметим, что некоторые варианты «теории всего» в низкоэнергетическом пределе в качестве гравитационной части содержат ОТО в точности.

Важное свойство фундаментальных теорий заключается в том, что, как правило, как на космологических масштабах, так и на масштабах микромира используется размерность пространства-времени больше, чем 4. Концепция многомерного пространства необходима, например, для теории суперструн, которая, по общему признанию, представляет собой наиболее перспективную теорию высоких энергий, объединяющую квантовую гравитацию и теорию так называемых калибровочных полей. Низкоэнергетические следствия этой теории требуют, например, (9+1)-мерного фундаментального пространства-времени (иногда (10+1)-мерного), в то время как другие размерности запрещены.

Но как же тогда быть, мы же ощущаем только 3 пространственных и одно временное измерение? На микромасштабах дополнительные измерения компактифицированы (как бы свернуты в «трубочки»), и это причина, по которой они и не должны восприниматься нами. Такое пространство обладает симметриями по дополнительным измерениям, которым отвечают законы сохранения для различных зарядов, точно так же, как симметриям пространства Минковского отвечают законы сохранения для энергетических характеристик.

Уже на современном уровне технологий для подтверждения фундаментальных теорий могут оказаться важными эксперименты на ускорителях. Например, если на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе будут открыты так называемые суперсимметричные партнеры известных частиц - это будет означать, что идея суперсимметрии работает, а значит и более продвинутая теория гравитации, действительно, может быть построена в рамках теории струн.

Но может ли мир иметь протяженные (некомпактифицированные) измерения? Первые утверждения по этому поводу были сделаны в 1983 году Валерием Рубаковым и Михаилом Шапошниковым, продолжающими активно работать в этой области. Они показали, что в 5-мерном пространстве-времени (с 4-мерным пространством) вся материя может быть сосредоточена только на 3-мерном пространственном сечении. Возникает понятие моделей с бранами, где мир, в котором мы живем, эффективно сосредоточен в 3-мерном пространстве, и поэтому мы не чувствуем дополнительных протяженных пространственных измерений.

Некоторое время модели типа Рубакова-Шапошникова не привлекали большого внимания. Интерес к ним стал стимулироваться, в первую очередь, проблемой иерархии взаимодействий, к которой относится и чрезвычайная слабость гравитационного взаимодействия. Описывая взаимодействие элементарных частиц, о гравитационном взаимодействии можно забыть, как о совершенно несущественной поправке. Но если уж мы взялись объяснять устройство нашего мира, то должны ответить и на вопрос, почему гравитация так слаба.

Оказалось, что многомерные модели с протяженными дополнительными измерениями могут быть очень полезны для решения этих проблем. Таких моделей существует много. Пожалуй, самой известной является модель, предложенная в 1999 году американскими космологами Лизой Рэндолл и Раманом Сундрумом. На самом деле они предложили одну за другой две модели.

В первой из них 5-мерный мир с двух сторон ограничен двумя 4-мерными постранственно-временными сечениям, одно из которых - наша Вселенная (три пространственных измерения плюс одна временная координата). Пространство между двумя бранами сильно искривлено вследствие их «механического» напряжения. Это напряжение приводит к тому, что все физические частицы и поля сосредоточены только на одной из бран и не покидают ее, за исключением гравитационного взаимодействия и излучения. Гравитация на этой бране есть, но очень слаба, и это тот мир, в котором мы живем. На другой же границе 5-мерного мира, недоступной нам, гравитация, наоборот, очень сильна, а вся материя значительно легче и взаимодействия между частицами материи слабее.

Во втором варианте модели Рэндолл и Сундрума обходятся без второй границы. Эту модель теоретики любят больше. Она позволяет превратить любимую ими теорию струн в пятимерном пространстве-времени в обычную квантовую теорию на его четырехмерной границе. Пространство в этой модели также сильно искривлено, и его радиус кривизны определяет характерный размер дополнительного пятого пространственного измерения. Окончательно признанной модели с бранами нет, они находятся в активной фазе разработок, выявляются проблемы, решаются, появляются новые, снова решаются и т. д.

На рис. 3 (слева) схематически представлен мир на бране, где свет (фотоны) распространяется внутри нее, но не может покинуть саму брану. На рис. 3 (справа) показано, что если бы наш мир был на бране, то он мог бы «плавать» в великом просторе дополнительных измерений, остающихся недоступными для нас, поскольку видимый нами свет (и никакие другие поля, кроме гравитационного) не может покинуть нашу брану. Могли бы существовать и другие миры на бранах, плывущие рядом с нами.

Рис. 3. Мир на бране и несколько непересекающихся бран

Еще одной идеей, ведущей к рассмотрению многомерных моделей, является так называемое AdS/CFT соответствие, которое возникает как одна из конкретных реализаций теории суперструн. Геометрически это означает следующее. Рассматривается многомерное (чаще, 5-мерное) антидеситтерово (AdS) пространство-время. Без деталей, AdS-пространство - это пространство-время постоянной отрицательной кривизны. Хотя оно и искривлено, но обладает таким же количеством симметрий, что и плоское пространство-время той же размерности, т. е. максимально симметрично. Далее, рассматривается пространственная бесконечно удаленная граница AdS-пространства, размерность которой, соответственно, на единицу меньше. Так, для 5-мерного AdS-пространства граница будет 4-мерной, то есть где-то аналогичной пространству-времени, в котором мы живем. Само же соответствие означает некую математическую связь этой границы с так называемыми конформными (масштабно инвариантными) полевыми теориями, которые могут «жить» на этой границе. Вначале это соответствие изучали только в чисто математическом плане, но около 10 лет назад осознали, что эту идею можно использовать и для изучения теории сильных взаимодействий в режиме сильной связи, где обычные методы не работают. С тех пор исследования, в которых привлекается (или изучается) AdS/CFT соответствие, только набирают обороты.

Из того, что сказано в предыдущем абзаце, для нашего рассмотрения важно, что изучается искривленное пространство-время - AdS пространство и его граница. В рабочих моделях рассматривают не идеальные AdS-пространства, а более сложные решения, которые ведут себя как AdS при асимптотическом приближении к границе. Такое пространство-время может быть решением той или иной многомерной теории гравитации. То есть идея AdS/CFT соответствия - это еще один из стимулов для развиватия многомерных теорий.

Одна из основных проблем моделей с бранами (и других многомерных моделей) - понять, насколько они близки к реальности. Опишем один из возможных тестов. Вспомним эффект квантового испарения черных дыр Хокинга. Характерное время испарения для черных дыр, которые возникают при взрывах массивных звезд, на много порядков превышает время жизни Вселенной; для сверх-массивных черных дыр оно еще больше. Но ситуация меняется в случае с 5-мерным пространством-временем Рэндолл и Сундрума. Черные дыры на нашей бране (она же наша Вселенная) должны испаряться гораздо быстрее. Оказывается, что с точки зрения 5-мерного пространства-времени черные дыры нашей Вселенной движутся с ускорением. Поэтому они должны эффективно терять энергию (испаряться в дополнение к обычному эффекту Хокинга) до тех пор, пока размеры уменьшающихся черных дыр остаются больше размера дополнительного измерения (что-то вроде трения об это измерение). Например, если бы характерный размер дополнительного измерения составлял 50 микрон, вполне измеряемые в лаборатории, то черные дыры в одну солнечную массу не смогли бы прожить больше 50 тысяч лет. Если бы такое событие произошло у нас на глазах, то мы бы увидели, как внезапно гаснут рентгеновские источники, в которых светилось вещество, падавшее на черную дыру.

Черные дыры в многомерной ОТО

Итак, шаг за шагом многомерные пространства становятся неотъемлемой частью различных физических моделей. Вместе с этим все больше внимания привлекает и обобщение ОТО на более чем четыре измерения (без других модификаций и дополнений), так как такая ОТО в некоторых вариантах сама является частью новых теорий. А это является одним из существенных стимулов для поиска и изучения возможных решений многомерной ОТО. В частности, интересными и важными являются решения для черных дыр. Почему?

1) Эти решения могут быть теоретическим базисом для анализа микроскопических черных дыр в струнных теориях, где они неизбежно возникают.

2) AdS/SFT соответствие связывает свойства D-мерных черных дыр со свойствами квантовой полевой теории на (D–1)-мерной границе, о чем мы кратко говорили выше.

3) Будущие эксперименты на коллайдерах предполагают рождение многомерных черных дыр. Их регистрация невозможна без представления об их свойствах.

4) И наконец, изучение решений классической 4-мерной ОТО начиналось с изучения черных дыр - решения Шварцшильда. Кажется естественным следовать логике исторического развития.

Интуитивно ясно, чем больше измерений, тем разнообразней будут свойства решений теории. В чем это проявляется в решениях для черных дыр? Разнообразие решений в многомерной ОТО обязано двум новым особенностям: нетривиальной динамике вращений и возможности формирования протяженных горизонтов событий. Обсудим их. В обычной ОТО с 4-мерным пространством-временемнезависимое вращение в 3-мерном пространстве может быть только одно. Оно определяется своей осью (или, что то же самое, плоскостью вращения, перпендикулярной к ней). В 5-мерной ОТО пространство (без времени) становится 4-мерным, но это свойство 3-мерного пространства иметь единственное независимое вращение сохраняется. А вот в 6-мерной ОТО, где пространство становится 5-мерным, возможны два независимых вращения, каждое со своей осью, и т. д. Другое новое свойство, которое имеет место для решений в размерностях больше 4-х - это появление протяженных горизонтов. Что под ними подразумевается? Это «черные струны» (одномерные) и «черные браны» разных размерностей.

Комбинация этих двух новых возможностей в разных вариациях привела к тому, что в рамках многомерной ОТО построена масса решений типа черных дыр, имеющих свою сложную иерархию. На рис. 4 приведены некоторые из этих решений. Если в 4-мерной ОТО горизонт событий известных черных дыр, как правило, имеет сферическую форму, то в многомерии ситуация существенно изменяется. Горизонты вырождаются в струны (как мы уже упомянули), могут быть в форме тора, и т. д. Следует иметь в виду, что изображения горизонтов на рис. 4 должны восприниматься в определенной степени символически, поскольку в реальности они представляют собой 3-мерные поверхности в 4-мерном пространстве.

Рис. 4. Стационарные 5-мерные черные дыры

Эти образования называют уже не «черными дырами», а «черными объектами». Они могут быть многосвязными, например, черная дыра, окруженная «черным тором» называется «черным сатурном». Часть из этих объектов определяется нестабильными решениями, для другой части оказывается невозможным корректно рассчитать сохраняющиеся величины, но многие не имеют таких дефектов. Однако несмотря на все разнообразие свойств (приемлемых или вызывающих сомнения) и вычурную форму некоторых объектов, их горизонты событий имеют все то же основное свойство, что и горизонт черной дыры Шварцшильда: история материального тела после его пересечения перестает быть доступной внешнему наблюдателю.

Эта картина выглядит весьма и весьма экзотично и, вроде, не имеет отношения к действительности. Но кто знает - когда-то решения для черных дыр казались далекими от реальности, а сейчас нет сомнений, что эти объекты повсеместно населяют Вселенную. Возможно, что мы живем на бране, а внешний 5-мерный мир включает что-нибудь типа «черного сатурна», и его влияние на брану будет обнаружено.

Биметрические теории и теории с массивным гравитоном

Вспомним, чтобы описать слабые гравитационные волны, мы разбивали динамическую метрику ОТО на метрику плоского пространства-времени и возмущения метрики. Оказалось, что возмущения в виде волн могут распространяться в пространстве Минковского, которое играет роль фонового. Фон может быть и искривленым, однако должен оставаться фиксированным, т. е. его метрика должна быть решением ОТО. В этой картине метрика фонового пространства-времени и метрические возмущения являются независимыми. Такое представление есть один из вариантов биметрической теории гравитации, где одна метрика известна и представляет фоновое пространствовремя, а вторая, динамическая, играет роль распространяющегося в нем гравитационного поля. В данном случае такое описание индуцировано самой ОТО.

Однако биметрические теории строятся и без ссылок на существование ОТО, а как независимые теории. Их характерные черты в том, что фоновая и динамическая метрики объединяются в эффективную метрику, которая в свою очередь определяет эффективное пространство-время, где распространяются и взаимодействуют все физические поля. Как правило, в пределе слабого поля и малых скоростей предсказания ОТО и биметрических теорий совпадают, и они удовлетворяют всем или большинству тестов, которым соответствует и ОТО. Из-за чего уделяется внимание биметрическим теориям? Их устройство, например, позволяет более просто и непротиворечиво определять сохраняющиеся величины. Также они имеют преимущества при квантовании.

Обычно для биметрических теорий существует хотя бы принципиальная возможность определить «подстилку» - фоновое пространство-время. Но такого может и не случиться. Например, без ссылок на слабость поля (то есть точно, без приближений) ОТО можно переформулировать как биметрическую теорию. В этом случае принципиально невозможно придумать эксперимент или тест, чтобы определить фоновое пространство-время, которое поэтому играет роль вспомогательного. А реальным и доступным для наблюдений является лишь эффективное пространство-время - оно же, собственно, пространство-время ОТО.

Такое биметрическое представление ОТО называется ее теоретико-полевой формулировкой, в том смысле, что гравитационное поле рассматривается на равных правах со всеми остальными физическими полями во вспомогательном (поскольку ненаблюдаемом) фоновом пространстве-времени.

Теперь вернемся к старшим классам школы и вспомним, что в учебниках по физике говорится о так называемом корпускулярно-волновом дуализме. Что это значит? Оказывается, распространение того или иного поля можно рассматривать в зависимости от условий либо как частицу, либо как волну. Снова обратимся к электродинамике. Низкочастотный сигнал с достаточной амплитудой будет зафиксирован, скорее, как волна с помощью колебаний зарядов в ее поле. С другой стороны, высокочастотный, но слабый сигнал, скорее, будет зафиксирован как частица, которая выбивает электрон в фотодетекторе. Частица фотон - безмассовая (с нулевой массой покоя). Обратимся к другой известной частице - электрону, он имеет массу. Но оказывается, электрону тоже можно сопоставить волну, несмотря на его «массивность».

После этого вспомним о гравитационных волнах, которые предсказаны ОТО. В рамках ОТО этим волнам соответствуют частицы с нулевой массой покоя - гравитоны. А можно ли построить такую теорию гравитации, в которой гравитон имеет ненулевую массу покоя? Почему нет, если такая теория в слабополевом пределе и пределе малых скоростей будет совпадать с ОТО и удовлетворять ее тестам. История этих теорий начинается с массивной гравитации, предложенной швейцарскими теоретиками Маркусом Фирцем (1912–2006) и Вольфгангом Паули в 1939 году.

С тех пор варианты таких теорий появляются более или менее регулярно. В последнее время интерес к ним повысился в связи с тем, что варианты массивной теории гравитации возникают в фундаментальных теориях, таких как теория суперструн. В некоторых моделях с бранами более предпочтительным оказывается именно массивный гравитон. Массивные теории гравитации являются в определенном смысле разновидностью биметрических теорий: их общая черта состоит в том, что динамическое тензорное поле распространяется в фиксированном пространстве-времени, которое, как правило, принципиально наблюдаемо. Обычно в пределе, при стремления массы гравитона к нулю, такие теории переходят в ОТО. Если в пределе слабого поля и малых скоростей они совпадают с ОТО, то в сильных полях и на космологических масштабах расходятся с ОТО, предлагая другие эффекты. Например, может оказаться, что вместо решений для черных дыр появятся решения для сингулярностей без горизонтов («голых сингулярностей»), вместо расширяющейся вселенной появляются осциллирующие вселенные.

Проверить достоверность этих предсказаний напрямую пока невозможно, это остается предметом дальнейших исследований. До сих пор теории массивной гравитации имели общий изъян, их решения дают некие состояния с отрицательной энергией. Эти состояния называются «духами», объяснить их в рамках разумных представлений не получается, и поэтому они нежелательны. Однако буквально в последнее время появились варианты массивной гравитации без «духов».

Закон Ньютона

Закон всемирного тяготения после

обсуждения в третьем чтении был

отправлен на доработку...

Фольклор

Проверка закона Ньютона. Осмысление закона Ньютона до сих пор играет очень важную роль для осмысления представлений о гравитации вообще. Как можно проверить в лабораторных условиях, живем ли мы на бране (или каком другом многомерном мире), хотя и не можем «выйти» в дополнительное измерение? Вспомним, что гравитация, в отличие от остальных взаимодействий, распространяется во всех пяти измерениях. Чтобы использовать этот факт, озадачимся геометрическим смыслом закона Ньютона. Как мы помним, он утверждает, что сила гравитационного взаимодействия падает обратно пропорционально квадрату расстояния ~ 1/r2. Теперь вспомним картинку из школьного учебника физики, где действие силы описывается силовыми линиями. На такой картинке сила на данном расстоянии r определяется плотностью силовых линий, «прошивающих» сферу радиуса r: чем больше площадь сферы, тем меньше плотность линий и, соответственно, сила. А площадь сферы пропорциональна r2, откуда прямо следует зависимость от расстояния в законе Ньютона. Но это в 3-мерном пространстве, где площадь сферы пропорциональна r2! В 4-мерном пространстве площадь окружающей сферы будет пропорциональна r3, и, соответственно, изменится закон Ньютона - сила гравитационного взаимодействия будет падать обратно пропорционально кубу расстояния ~ 1/r3, и т. д.

Если бы закон обратных кубов имел место на масштабах Солнечной системы, то ясно, что именно он был бы сформулирован Ньютоном. Значит нужно его искать на малых масштабах. Вместе с тем, проверка закона Ньютона важна и для некоторых перспективных многомерных теорий, где дополнительные размерности компактификацированы (свернуты) и их размеры, конечно, меньше планетарных. Тем не менее, они могут достигать десятков микрометров. Когда Рэндолл и Сундрум только предложили свою теорию, закон Ньютона был проверен лишь до масштабов в метры. С тех пор ученые сделали несколько сложнейших (ввиду слабости гравитации) экспериментов с крутильными весами крохотных размеров, и сейчас лабораторные ограничения существенно снизились и приближаются к размерам компактификации.

Рис. 5. Крутильные весы для проверки закона обратных квадратов

Современными измерениями установлено, что размер дополнительного измерения составляет не более 50 микрон. На меньших масштабах закон обратных квадратов может нарушиться. На рис. 5 представлена схема крутильных весов для проверки закона обратных квадратов Ньютона. Сам прибор помещен в вакуумную колбу, тщательно изолирован от шумов и снабжен современной электронной системой детектирования смещений.

Ясно, что подобного рода эксперименты сопряжены с колоссальными технологическими трудностями, и дальнейший прогресс связывают с вынесением эксперимента в космос. Дело в том, что малые коррекции закона Ньютона ведут также к расчетному смещению планетных перигелиев (наряду с эйнштейновским). Лазерная локация Луны подтвердила эйнштейновское смещение с точностью до 10–11 радиана в столетие. А вот уже в следующем порядке может проявить себя эффект некоторых многомерных моделей.

Первые попытки такой локации проводились в начале 60-х, как американскими, так и советскими исследователями. Но лазерный луч сильно рассеивался поверхностью, и точность измерений была невысока - до нескольких сот метров. Ситуация сильно изменилась после того как в рамках американских миссий «Аполлон» и советских «Луна» на Луну были доставлены уголковые отражатели, которые и используются до сих пор (к сожалению, советская программа по Луне была свернута в 1983 году).

Как это происходит? Лазер посылает сигнал через телескоп, направленный на отражатель, при этом точно фиксируется время, когда сигнал был излучен. Площадь пучка от сигнала на поверхности Луны составляет 25 км2 (площадь уголковых отражателей около 1 м2). Отраженный от прибора на Луне свет в течение примерно одной секунды возвращается в телескоп, далее происходит от порядка 30 пикосекунд. Время путешествия фотона позволяет определить расстояние, и это сейчас делается с точностью около двух сантиметров, иногда точность до стигает нескольких миллиметров. И это при расстоянии между Землей и Луной 384 500 км!

Модифицированная ньютонова динамика (МОНД). Но закон Ньютона может нарушаться на масштабах существенно больше планетных систем. Аномальные движения и вращения в звездных системах «спровоцировали» поиски «темной материи», в которую погружены галактики, скопления галактик и т. д.

А что если сам закон Ньютона нарушен на этих масштабах? Оригинальная теория МОНД была разработана израильским физиком Мордехаем Милгромом в 1983 году как альтернатива «темной материи». Отклонения от ньютоновского закона обратных квадратов по этой теории должны наблюдаться при определенном ускорении, а не на определенном расстоянии (вспомните теорию Хоржавы, где закон Ньютона изменяется из-за влияния скоростей).

МОНД успешно объясняет наблюдаемые движения в галактиках. Эта теория также показывает, почему отклонения от ожидаемого характера вращения наиболее велики в карликовых галактиках.

Недостатки исходной теории:

1) не включает релятивистских эффектов типа СТО или ОТО;

2) нарушаются законы сохранения энергии, импульса и момента импульса;

3) внутренне противоречива, так как предсказывает различные галактические орбиты для газа и звезд;

4) не дает возможности вычислить гравитационное линзирование скоплениями галактик.

Все это вызвало ее дальнейшее существенное совершенствование - с включением скалярных полей, приведения к релятивистскому виду и т. д. Каждое изменение, снимая одно возражение, вызывало другое, завершенной теории пока нет, но исследователи не теряют оптимизма.

Аномалия «Пионеров». Автоматические межпланетные станции «Пионер-10» и «Пионер-11» были запущены в 1972 и 1973 годах для исследования Юпитера и Сатурна. Они вполне справились со своей миссией сблизиться с этими планетами и передать данные о них, что называется, из первых рук. Последний сигнал от «Пионера-10» был получен в начале 2003 года после более чем тридцати лет непрерывной работы. В тот момент космический аппарат находился уже в 12 млрд километров от Солнца. На рис. 12.6 представлена фотография аппарата «Пионер-10».

Удивление вызвал тот факт, что как только «Пионеры» миновали орбиту Урана (примерно в 1980 году), на Земле стали замечать, что частота радиосигналов, посланных аппаратами, смещается в коротковолновую часть спектра, чего быть не должно, если их движение соответствует динамике Ньютона (влияние релятивистских эффектов ОТО на таком удалении от Солнца и планет значительно слабее).

С житейской точки зрения эффект, конечно, кажется мелочью - он в 10 млрд раз меньше, чем ускорение, которое мы испытываем со стороны гравитационного поля Земли. Но он значительно превосходит релятивистские эффекты ОТО! Наиболее банальными объяснениями загадочного явления могли бы стать, например, утечка остатков газообразного топлива из двигателей малой тяги, торможение на космической пыли, и т. д. Но эти эффекты временные, а аномалия стабильна на протяжении более чем 20-ти лет.

Некоторые ученые задались вопросом, не может ли аномалия «Пионеров» порождаться до сих пор неизвестные факторами, которые действуют лишь за пределами Солнечной системы (изменение закона Ньютона). Рассматривались даже модели с привлечением антиматерии, темного вещества и темной энергии.

Норвежский физик Кьелл Танген всесторонне проанализировал создавшуюся ситуацию и пришел к выводу, что ни одна из известных модификаций закона гравитации не в силах описать аномалию. Действительно, эти изменения не должны привести к изменению описания движения внешних планет Солнечной системы. Так, изменяя закон Ньютона, Танген неизбежно получал неправильные результаты для описания движения Урана и Плутона.

Загадка «Пионеров» была разрешена совсем недавно в результате 20-летней работы группы Вячеслава Турышева, выпускника ГАИШ МГУ, работающего ныне в Лаборатории реактивного движения (JPL) NASA в Пасадене. В разное время группа насчитывала от 20 до 80 сотрудников. Сравнительно недавно удалось в достаточной мере расшифровать чудом сохранившиеся дополнительные данные от «Пионеров», которые ранее были недоступны из-за архаичных форматов файлов и информационных носителей (магнитофонные ленты). Изначально анализировалось более 20 факторов, которые могли бы привести к эффекту. В распоряжении группы была хранившаяся в музее копия аппаратов-двойников - третий «Пионер», оставленный на Земле после предполетных тестов, позволивших отобрать самые качественные детали для космоса. Этот аппарат исследовался досконально.

Один за другим, по разным причинам, кандидаты на эффект отклонялись. Наконец осталась лишь одна возможная причина, которая и подверглась исследованию с пристрастием. Аппарат представляет собой параболическую антенну для связи диаметром около 3 метров, снабженную аппаратурой, помещенной в коробку несколько меньшего размера. Аппаратура работает так долго благодаря энергии атомного элемента, также помещенного в эту коробку. Как результат, коробка греется. Антенна все время ориентирована на Землю, так что коробка находится позади нее.

Группа Турышева составила компьютерную карту распределения тепла во всем аппарате. Оказалось, что обратная часть аппарата (противоположная от Земли) немного теплее, чем передняя. То есть в противоположную от Земли сторону аппарат покидают более энергичные фотоны, чем те, которые летят к Земле. Фактически работает «фотонный двигатель», который в данном случае тормозит «улет» аппаратов из Солнечной системы. Данные расчетов очень хорошо согласуются с данными наблюдаемого эффекта. Мощность этого «двигателя» сравнима с мощностью «отдачи» света фар автомобиля, которая тоже его тормозит как фотонный двигатель. Это образное сравнение привел сам Турышев.

Возникают вопросы. Почему эффект обнаружили только через 8 лет? Дело в том, что есть еще такое явление, как солнечный ветер. До тех пор, пока аппараты не достигли орбиты Урана, его влияние было превалирующим, и «аномалия» просто в нем тонула. При большем удалении эффект «аномалии» стал сильнее эффекта ветра и ее обнаружили. Почему считается, что аномальная сила направлена к Солнцу, ведь антенна ориентирована на Землю? Дело в том, что уже на удалении орбиты Урана, орбита Земли видится как кружок в небольшом угле раствора. В этом случае различить, куда смотрит антенна (на Землю, на другую точку земной орбиты, на Солнце) невозможно - это примерно одно и то же.

Подведем итог. Аномалия «Пионеров» объяснена обычными простыми явлениями и пересмотра закона Ньютона и вообще гравитационных теорий для ее объяснения не требуется.

Что даст дальнейшее повышение точности наблюдений

Точность очень часто

оборачивается неточностью.

Дмитрий Лихачев

Весьма важной является проверка постоянства фундаментальных констант. Для этого сравнивают разнообразные наблюдения за самыми отдаленными объектами во Вселенной с наблюдениями в Солнечной системе, а их - с результатами лабораторных экспериментов на Земле и даже с данными, полученными в геологии и палеонтологии. При анализе используются разные временные шкалы, с одной стороны, обусловленные космологической и астрофизической эволюцией, с другой - основанные на современных атомных стандартах. Кроме этого, явления, существенно зависящие от этих констант, сопоставляются для разных эпох.

Для гравитации прежде всего важна гравитационная постоянная. Ее точное значение необходимо для определения параметров той или иной альтернативной теории или даже для определения ее жизнеспособности - вспомните теорию Хоржавы. От стабильности гравитационной постоянной зависит постоянство параметров планетных орбит. Исследования в Солнечной системе подтвердили неизменность гравитационной постоянной с относительной точностью от 10–13 до 10–14 в год. И точность измерений постоянно повышается.

Насколько важен в смысле построения новой теории поиск гравитационных волн от астрономических источников? В этом смысле сама по себе регистрация гравитационных волн вряд ли сразу даст много информации. Но факт регистрации окончательно подтвердит правоту современных исследований и можно будет отвергнуть совсем уж маргинальные теории. Лишь позже, когда станет возможным анализировать детали излучения (например, поляризацию), станет возможным использовать его для выбора или модификации гравитационных теорий. Определение скорости гравитационного излучения также даст ограничения на альтернативные теории, например, с массивным гравитоном; и т. д.

Нужен ли какой-то экспериментальный прорыв для создания новой теории или выбора из уже построенных? Да, конечно, необходимы новые и более точные эмпирические данные. Но это стоит называть не прорывом, а, скорее, результатом последовательных усилий. Положение дел таково: за последние 100 лет точность измерений увеличилась на 3–4 порядка. Современные технологии обещают существенно ускорить процесс. По разным оценкам ожидается, что в ближайшие 25–30 лет точность увеличится еще на 3–5 порядков. А это по многим прогнозам дает полные основания (и мы попытались это показать), если не в ближайшие годы, то в ближайшие 10–20 лет, ожидать потрясающе интересных и важных открытий. Кроме того, большинство исследователей считает, что такого повышения точности будет достаточно, чтобы определиться с новой теорией.

По мере развития квантовой физики учёные узнают больше о чёрных дырах, тёмной материи, тёмной энергии и других космических явлениях. Новые открытия всё труднее вписываются в понятие гравитации.

Ниже приводятся альтернативные взгляды на гравитацию девяти учёных.

1. Томас Таунсенд Браун и устройство, бросающее вызов гравитации

Физик Томас Таунсенд Браун (1905-1985 гг.) проводил исследования для американского военно-морского флота и министерства обороны. Позднее он работал консультантом в авиационной промышленности.

Он создал устройство, которое было запатентовано под названием «гравитатор». По его словам, его изобретение опровергало гравитацию, и некоторые учёные согласны с этим утверждением. Под влиянием высоковольтного заряда оно двигалось таким образом, что это невозможно объяснить, исходя из современного понимания гравитации.

В заявке на патент Браун написал, что гравиатор действует в состоянии покоя по отношению к Вселенной. Это противоречит специальной теории относительности Альберта Эйнштейна, согласно которой сила должна действовать одинаково по отношению к любой системе отчёта. Гравитатор также опровергал третий закон Ньютона, гласящий, что любому действию есть равное и противоположное противодействие.

В 1930 г. полковник Эдвард Дидс писал: «Часть учёных видели гравитатор, и они были поражены его действием, честно сказав, что движения гравитатора совершенно невозможно объяснить известными законами физики».

Некоторые говорили, что движения гравитатора управляются ионным ветром, то есть ионизированные частицы создают силу. Пол А. ЛаВиолетт был среди тех, которые не согласились с подобным объяснением.

«Измерения силы тяги показали, что сила, поднимающая электрифицированный диск Брауна, почти в 100 миллионов раз больше, чем мог бы создать ионный ветер», - писал ЛаВиолетт в своей книге «Секреты антигравитационного движения».

2. Пол А. ЛаВиолетт: Правительство секретно строит антигравитационный корабль?

ЛаВиолетт получил степень доктора в Университете Портланда, в настоящее время он является президентом Starburst Foundation, научно-исследовательского института в междисциплинарных областях. Он пишет в своей книге: «На протяжении нескольких прошедших десятилетий по засекреченным аэрокосмическим программам в США и других странах занимались созданием летательного аппарата, способного преодолеть гравитацию. Эти экзотические технологии относятся к сравнительно мало известной области исследований под названием электрогравитика».

ЛаВиолетт проследил развитие этой отрасли, начиная с эпохи Теслы и заканчивая Брауном в первой половине XX века. Согласно теориям Брауна, электростатическое и гравитационное поля объединены, объясняет ЛаВиолетт.

Электрогравитационный эффект игнорируется, потому что «подобный феномен не предполагается классической электростатикой или общей теорией относительности, пишет ЛаВиолетт.

3. NASA о тёмной материи

На этом изображении показано распределение тёмной материи, галактик и горячего газа в центре скопления галактик Abell 520, образовавшегося в результате массивного столкновения галактик. Фото: NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee at the University of California, and A. Mahdavi at San Francisco State University

Учёные знают, что Вселенная расширяется с возрастающей скоростью. Они полагают, что причиной этого расширения является тёмная материя, но не знают точно, что она из себя представляет. Предполагается, что она может опровергнуть теорию гравитации Эйнштейна.

В докладе NASA о тёмной материи говорится, что существует вероятность, что «теория Эйнштейна о гравитации неверна».

«Она не только влияет на расширение Вселенной, но и определяет поведение обычной материи в галактиках и скоплениях галактик, - говорится в отчёте. - Возможно, новая теория гравитации могла бы стать решением проблемы чёрной материи. Мы можем наблюдать, как галактики образуют скопления. Но если окажется, что необходима новая теория гравитации, неизвестно, какой вид она примет».

4. Том ванн Фландерн о проблеме скорости гравитации

Том ван Фландерн (1940-2009) получил степень доктора астрономии в Йельском университете в 1969 г. Он не полностью отвергал общую теорию относительности, однако считал, что в ней есть проблемы. Теория Эйнштейна, скорее, была «неполной, нежели ошибочной», написал он в статье «Скорость гравитации. Что говорят эксперименты?», опубликованной в Physics Letter A в 1998 г.

Он затронул вопрос о скорости гравитации. В классической теории тяготения Ньютона скорость гравитации не определена. А в общей теории относительности гравитация имеет скорость света, объясняет Ван Фландерн. Он говорит, что в академических кругах предпочитают обходить это противоречие.

«Точно такая же дилемма возникает во многих вопросах, - пишет он. - Почему фотоны от солнца движутся в направлении, которое не параллельно направлению гравитационного ускорения Земли по отношению к Солнцу? Почему полное затмение Солнца Луной достигает пика до выравнивания гравитационных сил Солнца и Луны? Каким образом двойные пульсары предугадывают своё будущее положение, скорость и ускорение быстрее, чем позволяет световое время между ними? Почему чёрные дыры обладают гравитацией, несмотря на то, что ничто не может преодолеть их, потому что для этого потребовалась бы скорость выше скорости света?»

5. Вильян Х. Кантрелл: теория Эйнштейна не выходит за пределы логического круга

Д-р. Вильям Х. Кантрелл - член технического персонала в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института. В прошлом он занимал должность адъюнкт-профессора на факультете электронной инженерии Техасского университета.

Он изложил нетрадиционный взгляд на теорию относительности в журнале Infinite Energy, публикуемом некоммерческой организацией New Energy Foundation (NEF).

Кантрелл пишет: «Теория относительности оказала огромное влияние на физику XX века, это неоспоримый факт. Теорией Эйнштейна восхищаются во всём мире за блестящие открытия, к которым она привела. Тем не менее, существуют группы учёных-диссидентов, которые открыто отвергают её, и ещё большие группы исследователей, которые испытывают к ней неприязнь, хотя и не в курсе альтернативных подходов».

«Причина этой неприязни состоит в том, что Эйнштейн заимствовал математику Лоренца и Пуанкаре, и это позволило ему модифицировать систему измерения длины и времени, заставив скорость света быть постоянной для всех наблюдателей».

«В такой ситуации рациональные мыслители должны были бы броситься на поиски альтернативных идей. Но зачем пытаться опровергнуть настолько успешную теорию? Ну, во-первых, для того, чтобы понять и описать, как же на самом деле работает природа. А во-вторых, чтобы совершить новый прорыв, после того, как непредумышленный барьер убран».

Кантрелл и подобные ему учёные считают, что теория Эйнштейна не выходит за пределы логического круга. Он пояснил это следующим примером: «Некто может выдвинуть гипотезу, что у Земли есть вторая Луна, сделанная из специального зелёного сыра, который прозрачен для освещения».

«Разумеется, это звучит как глупость, однако это утверждение невозможно опровергнуть опытным путём. С теорией относительности Эйнштейна та же самая проблема».

6. Руджеро Мария Сантилли: теория относительности противоречит квантовой электродинамике

Руджеро Мария Сантилли обучался в университетах Неаполя и Турина, он работал приглашённым преподавателем в Гарварде, затем основал институт теоретических исследований. Сантилли приводит девять несоответствий между общей теорией относительности Эйнштейна и теперешними научными знаниями. Некоторые из них создают проблемы для классического понимания гравитации.

Одно из главных противоречий в том, что объяснение Эйнштейна гравитации не согласуется с квантовой электродинамикой, пишет Сантилли в своём докладе 2006 г. «Девять теорем о несоответствии общей теории относительности».

«Следует помнить о том, что квантовая электродинамика - это одна из самых значительных и экспериментально доказанных научных теорий в истории. Очевидно, что широко распространённая точка зрения, рассматривающая взгляд Эйнштейна на гравитацию как окончательный - это ненаучный подход», - пишет он.

В журнале публикуются статьи, которые ставят под сомнение общую и специальную теорию относительности Эйнштейна. Редакционная политика журнала сформулирована следующим образом: «Журнал уделяет внимание докладам, которые подтверждают, что теории Эйнштейна чрезмерно усложнены, подтверждены только в узких областях физики и ведут к логическим противоречиям».

Том Бэтхэлл

Том Бэтхэлл не учёный, но он исследовал альтернативные теории, будучи старшим редактором журнала American Spectator. В статье «Переосмысление относительности» он пишет: «При выборе приемлемых теорий часто главным критерием служит простота. Птолемеева система мира в усложнённом варианте может точно предсказать положение планет. Однако гелиоцентрическая система мира намного проще, поэтому мы предпочитаем её».

Он цитировал Клиффорда М. Вилла из Вашингтонского университета, ведущего сторонника относительности. «Сложно представить жизнь без специальной теории относительности… Просто представьте все явления в нашем мире, в которых она занимает большое место. Атомная энергия, знаменитое уравнение E=mc2, показывающее, как масса преобразуется в колоссальное количество энергии».

Бэтхэлл говорит о том, что ограничения «играют свою роль». Бэтхэлл пишет: «Если новая теория будет выглядеть „незаменимой“, её сразу же окрестят ошибочной».

7. Джозеф Полчински: сомнения и вопросы

Джозеф Полчински. Фото: Lubos Motl

Джозеф Полчински, физик-теоретик института теоретической физики Кавли Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, обсуждает идею гравитации и в связи с чёрными дырами. Согласно теории Эйнтейна, чёрные дыры должны иметь огромную силу притяжения.

Знаменитый учёный Стивен Хокинг заявил в 70-е годы, что материя может просачиваться из чёрных дыр, что является парадоксом.

Как упоминалось в первой части статьи, ван Фландерн задавался вопросом: «Каким образом чёрные дыры обладают гравитацией, несмотря на то, что ничто не может преодолеть их, потому что для этого потребовалась бы скорость выше скорости света?».

Полчински заявил PBS после того, как Хокинг обсудил некоторые новые теории о чёрных дырах: «Возможно, что некоторые наши взгляды о квантовой механике и гравитации ошибочны, и мы пытаемся выяснить, какие именно».

«Это затруднение, но мы надеемся, что это затруднение позволит нам продвинуться вперёд», - сказал он.

8.Эрик Верлинде: теория «день неправильных волос»

Профессор Эрик Верлинде - физик-теоретик в области теории струн и профессор института теоретической физики при Амстердамском университете.

Он рассматривает гравитацию как следствие законов термодинамики и влияния таких факторов как температура, давление и структура. Восприятие гравитации, например, яблоко, падающее с дерева, связано со свойством природы максимизировать беспорядок.

Статья New York Times 2010 г. описывает его идею как теорию «дня неправильных волос». Волосы становятся кудрявыми при жаре и влажности, для волос существует больше возможностей сделать волосы кудрявыми, чем сделать их прямыми, и природа любит вариации. Схожие принципы действуют и при распределении объектов в космосе, считает Верлинде.

«Мы уже давно знаем, что гравитации не существует, - заявил Верлинде в интервью New York Times. - Пришло время объявить об этом во всеуслышание».

9. Хуан Малдасена: «Теорию Эйнштейна следует заменить чем-то квантомеханическим»

Хуан Малдасена. Фото: Wikimedia Commons

В 1997 г. физик-теоретик Хуан Малдасена, который в настоящее время занимает должность профессора в принстонском Институте передовых исследований, разработал теорию, которая рассматривает Вселенную как совокупность очень тонких вибрирующих струн. Именно эти струны и создают гравитацию. Струны представляют собой своего рода голограмму, проецируемую из более низкоразмерной космической системы, которая проще, более плоская и не имеет гравитации.

В интервью, размещённом на образовательном ресурсе Learner.org, Малдасена сказал: «Мы считаем, что общую теорию относительности Эйнштейна следует заменять чем-то квантомеханическим, когда затрагиваются такие темы, как начало Большого Взрыва, или строение чёрных дыр, где распад материи происходят в очень маленькой области времени-пространства, и вещи, происходящие там, нельзя описывать, используя классические теории. В таких случаях следует использовать квантовую механику. Теория струн находятся в процессе развития, она была создана для описания квантомеханического времени-пространства».

*Фотография man jumping rope от Shutterstock

Версия на английском

Установили бы Вы себе на телефон приложение для чтения статей сайта epochtimes?

Между всеми материальными телами. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона , в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна . В квантовом пределе гравитационное взаимодействие предположительно описывается квантовой теорией гравитации , которая ещё не разработана.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Визуализация гравитации

✪ УЧЁНЫЕ НАС ДУРЯТ С РОЖДЕНИЯ. 7 КРАМОЛЬНЫХ ФАКТОВ О ГРАВИТАЦИИ. РАЗОБЛАЧЕНИЕ ЛЖИ НЬЮТОНА И ФИЗИКОВ

✪ Гравитация

✪ 10 любопытных фактов о гравитации

✪ Александр Чирцов - Гравитация: развитие взглядов от Ньютона до Эйнштейна

Субтитры

Гравитационное притяжение

Закон всемирного тяготения - одно из приложений закона обратных квадратов , встречающегося также и при изучении излучений (см., например, Давление света), и являющегося прямым следствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, что приводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадь всей сферы.

Гравитационное поле, так же как и поле силы 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 гравитационного поля влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии и при изучении движения тел в гравитационном поле 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 зависит только от положения тела в данный момент времени.

Большие космические объекты - планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.

Гравитация - слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях, и все массы положительны, это, тем не менее, очень важная сила во Вселенной. В частности, электромагнитное взаимодействие между телами в космических масштабах мало, поскольку полный электрический заряд этих тел равен нулю (вещество в целом электрически нейтрально).

Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления - орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

Гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией. Аристотель (IV в. до н. э.) считал, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. И только много позже (1589) Галилео Галилей экспериментально определил, что это не так - если сопротивление воздуха устраняется, все тела ускоряются одинаково. Закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687) хорошо описывал общее поведение гравитации. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал Общую теорию относительности , более точно описывающую гравитацию в терминах геометрии пространства-времени.

Небесная механика и некоторые её задачи

Наиболее простой задачей небесной механики является гравитационное взаимодействие двух точечных или сферических тел в пустом пространстве. Эта задача в рамках классической механики решается аналитически в замкнутой форме; результат её решения часто формулируют в виде трёх законов Кеплера .

При увеличении количества взаимодействующих тел задача резко усложняется. Так, уже знаменитая задача трёх тел (то есть движение трёх тел с ненулевыми массами) не может быть решена аналитически в общем виде. При численном же решении достаточно быстро наступает неустойчивость решений относительно начальных условий. В применении к Солнечной системе эта неустойчивость не позволяет предсказать точно движение планет на масштабах, превышающих сотню миллионов лет.

В некоторых частных случаях удаётся найти приближённое решение. Наиболее важным является случай, когда масса одного тела существенно больше массы других тел (примеры: Солнечная система и динамика колец Сатурна). В этом случае в первом приближении можно считать, что лёгкие тела не взаимодействуют друг с другом и движутся по кеплеровым траекториям вокруг массивного тела. Взаимодействия же между ними можно учитывать в рамках теории возмущений и усреднять по времени. При этом могут возникать нетривиальные явления, такие как резонансы , аттракторы , хаотичность и т. д. Наглядный пример таких явлений - сложная структура колец Сатурна.

Несмотря на попытки точно описать поведение системы из большого числа притягивающихся тел примерно одинаковой массы, сделать этого не удаётся из-за явления динамического хаоса .

Сильные гравитационные поля

В сильных гравитационных полях, а также при движении в гравитационном поле с релятивистскими скоростями, начинают проявляться эффекты общей теории относительности (ОТО):

• изменение геометрии пространства-времени;
  • как следствие, отклонение закона тяготения от ньютоновского;
  • и в экстремальных случаях - возникновение чёрных дыр ;
• запаздывание потенциалов, связанное с конечной скоростью распространения гравитационных возмущений ;
  • как следствие, появление гравитационных волн;
• эффекты нелинейности: гравитация имеет свойство взаимодействовать сама с собой, поэтому принцип суперпозиции в сильных полях уже не выполняется.

Гравитационное излучение

Одним из важных предсказаний ОТО является гравитационное излучение , наличие которого было подтверждено прямыми наблюдениями в 2015 году . Однако и раньше были весомые косвенные свидетельства в пользу его существования, а именно: потери энергии в тесных двойных системах, содержащих компактные гравитирующие объекты (такие как нейтронные звезды или чёрные дыры), в частности, в знаменитой системе PSR B1913+16 (пульсаре Халса - Тейлора) - хорошо согласуются с моделью ОТО, в которой эта энергия уносится именно гравитационным излучением.

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 (v / c) 2 n + 2 {\displaystyle (v/c)^{2n+2}} , если мультиполь имеет электрический тип, и (v / c) 2 n + 4 {\displaystyle (v/c)^{2n+4}} - 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 Q i j {\displaystyle Q_{ij}} - тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа G c 5 = 2 , 76 × 10 − 53 {\displaystyle {\frac {G}{c^{5}}}=2,76\times 10^{-53}} (1/Вт) позволяет оценить порядок величины мощности излучения.

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

Тонкие эффекты гравитации

Помимо классических эффектов гравитационного притяжения и замедления времени, общая теория относительности предсказывает существование других проявлений гравитации, которые в земных условиях весьма слабы и поэтому их обнаружение и экспериментальная проверка весьма затруднительны. До последнего времени преодоление этих трудностей представлялось за пределами возможностей экспериментаторов.

Среди них, в частности, можно назвать увлечение инерциальных систем отсчёта (или эффект Лензе-Тирринга) и гравитомагнитное поле . В 2005 году автоматический аппарат НАСА Gravity Probe B провёл беспрецедентный по точности эксперимент по измерению этих эффектов вблизи Земли. Обработка полученных данных велась до мая 2011 года и подтвердила существование и величину эффектов геодезической прецессии и увлечения инерциальных систем отсчёта, хотя и с точностью, несколько меньшей изначально предполагавшейся.

После интенсивной работы по анализу и извлечению помех измерений, окончательные итоги миссии были объявлены на пресс-конференции по NASA-TV 4 мая 2011 года и опубликованы в Physical Review Letters . Измеренная величина геодезической прецессии составила −6601,8±18,3 миллисекунды дуги в год, а эффекта увлечения - −37,2±7,2 миллисекунды дуги в год (ср. с теоретическими значениями −6606,1 mas/год и −39,2 mas/год ).

Классические теории гравитации

В связи с тем, что квантовые эффекты гравитации чрезвычайно малы даже в самых экстремальных и наблюдательных условиях, до сих пор не существует их надёжных наблюдений. Теоретические оценки показывают, что в подавляющем большинстве случаев можно ограничиться классическим описанием гравитационного взаимодействия.

Существует современная каноническая классическая теория гравитации - общая теория относительности , и множество уточняющих её гипотез и теорий различной степени разработанности, конкурирующих между собой. Все эти теории дают очень похожие предсказания в рамках того приближения, в котором в настоящее время осуществляются экспериментальные тесты. Далее описаны несколько основных, наиболее хорошо разработанных или известных теорий гравитации.

Общая теория относительности

Однако экспериментально ОТО подтверждается до самого последнего времени (2012 год). Кроме того, многие альтернативные эйнштейновскому, но стандартные для современной физики подходы к формулировке теории гравитации приводят к результату, совпадающему с ОТО в низкоэнергетическом приближении, которое только и доступно сейчас экспериментальной проверке.

Теория Эйнштейна - Картана

Подобное распадение уравнений на два класса имеет место и в РТГ, где второе тензорное уравнение вводится для учёта связи между неевклидовым пространством и пространством Минковского . Благодаря наличию безразмерного параметра в теории Йордана - Бранса - Дикке появляется возможность выбрать его так, чтобы результаты теории совпадали с результатами гравитационных экспериментов. При этом при стремлении параметра к бесконечности предсказания теории становятся всё более близкими к ОТО, так что опровергнуть теорию Йордана - Бранса - Дикке невозможно никаким экспериментом, подтверждающим общую теорию относительности.

Квантовая теория гравитации

Несмотря на более чем полувековую историю попыток, гравитация - единственное из фундаментальных взаимодействий, для которого пока ещё не построена общепризнанная непротиворечивая квантовая теория . При низких энергиях, в духе квантовой теории поля , гравитационное взаимодействие можно представить как обмен гравитонами - калибровочными бозонами со спином 2. Однако получающаяся теория неперенормируема , и поэтому считается неудовлетворительной.

В последние десятилетия разработаны несколько перспективных подходов к решению задачи квантования гравитации: теория струн , петлевая квантовая гравитация и прочие.

Теория струн

В ней вместо частиц и фонового пространства-времени выступают струны и их многомерные аналоги -

Гравитация, как полагают историки, была первым взаимодействием, описанным математической теорией. Не важно, что Аристотель ошибался, утверждая, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. Важно то, что гравитация была под прицелом ученых древности.

В 17 веке благодаря учениям Коперника, Галилея, Кеплера, Ньютона и других сподвижников науки, произошел качественный прорыв в изучении проблемы гравитации. Кульминацией изучения феномена гравитации стало открытие самого Закона Всемирного Тяготения, к которому мы еще не раз будем обращаться.

В наше время теоретики тоже не сидят, подпирая подбородок кулакаами, они ежедневно, час за часом стучат по клавишам клавиатур и уже написали столько, что одних только гипотез перевалило далеко за сотню, а написанное, тысячи и тысячи томов.

На сегодня, как говорит Википедия, вырисовалось три перспективных направления к решению задачи квантования гравитации: теория струн, петлевая квантовая гравитация, и причинная динамическая триангуляция. Но если еще более сказать обобщенно, то выделим два основных направления теорий гравитации – это полевая и геометрическая.

Напомню кратко читателю, что это за направления и где ищут ученые те самые неуловимые гравитоны.

Опыты Галилея и математические законы Кеплера движения небесных тел заложили фундамент для теории гравитации Ньютона . С некоторой натяжкой можно отнести данную теорию к первый полевой теории. Почему с натяжкой? Причина одна – электромагнитные волны были открыты намного позднее, уже после смерти Ньютона. В средине 18 века Фарадей, экспериментально обосновал и развил свою концепцию полевой природы материи и единства физических сил природы. Далее Максвеллу оставалось, как образно отметил Герц, лишь «одеть теорию Фарадея в аристократические одежды математики». Первая статья Максвелла по теории электромагнитного поля так и называлась: «О силовых линиях Фарадея».

Другая половина теоретиков, привлекающих в свои идеи построения теорий гравитации геометрию, считают, что на сегодняшний день любая фундаментальная физическая теория содержит в своей основе некоторый комплекс геометрических идей. Возникло и уже оформилось целое направление геометрического описания гравитации и других фундаментальных взаимодействий в многомерной схеме Калуцы-Клейна.

На сегодняшний день самой известной и даже можно сказать признанной теорией гравитации является общая теория относительности (ОТО) А. Эйнштейна. Согласно данной теории гравитация обусловлена искривлением пространства, созданное гравитирующими телами, где геометрические свойства пространства выступают в роли реально действующих сил. Любая масса искривляет пространство-время вокруг себя, другая масса, попадая в данную область искривления, испытывает на себе силу притяжения.

Эйнштейн начал с 4-х мерного пространства-времени. Затем Т. Калуца в своей классической работе 1921 г. предложил геометризовать электромагнетизм, объединив его с гравитацией путем повышения размерности пространства-времени на единицу. Калуца постулировал независимость геометрических величин от 5-ой координаты, получивших название "чудес Калуцы".

Потом к чудесам физики начали привыкать и координаты стали размножаться. После относительного спада в середине прошлого века интерес к многомерным геометрическим моделям снова возрос в 70-е – 80-е годы. Это соотносят, прежде всего, с прогрессом исследований электрослабых и сильных взаимодействий.

В дальнейшем были попытки построения многомерных теорий поля, которые должны были объединить ОТО с теориями электромагнитного, электрослабого и даже сильного взаимодействий. Появилась 6-мерная модель гравиэлектрослабых взаимодействий, содержащая основные элементы модели электрослабых взаимодействий Вайнберга-Салама. Далее – 7-мерная модель гравиэлектрослабых взаимодействий, описывающая основные элементы классической (не квантовой) хромодинамики. И, наконец, была построена 8-мерная модель грависильных взаимодействий в метрическом варианте, в которой бозонный и фермионный секторы взаимосогласованы.

Эйнштейна можно отнести к числу фантастов-прагматиков. Его творчество началось в начале прошлого столетия, а в то время население Земли было гораздо меньше, было меньше фантастов, соответственно их было меньше и среди физиков. В начале 20-го столетия общемировая численность населения Земли составляла 1625 миллионов человек. Сегодня эта численность составляет 7 млрд. человек. Росло не только общее количество людей, но росло и количество физиков. Видимо по этой причине, как считают сами ученые, гипотезы по гравитации имеют явный переизбыток. Но задача–то осталась не решенной, а поиск истины с каждой новой гипотезой расширяется в геометрической прогрессии, и это еще больше усугубляет данную проблему.

Продолжают с большей интенсивностью муссироваться идеи, так называемого «пушинга» (приталкивания). Не находя прямого ответа некоторые физики заходят сзади материи и начинают ее приталкивать и толкать, для создания видимости притяжения. Но откуда взять такую энергию? Разве что привлечь опять Бога, так атеизм не позволяет.

Эфир – непонятный, бесконечный и нескончаемый! Несмотря на то, что на рубеже веков эфир был исключен из поставщиков энергии, физики, видя, что все аргументы материи в части гравитации исчерпаны, вновь обращаются к вакууму, т.е. к эфиру. А чтобы его материализовать придумали, что вакуум не пустой, а «физический», а если физический, то и материальный, субстанциональный, и, соответственно - энергонасыщенный.

Эфир стали применять как «приталкиватели», так и «притягиватели». На эфир набросились, он стал нужен всем, как спасительная соломинка, когда ухватиться уже не за что.

Эфировые теории отвергают ОТО потому, что данная теория отрицает существование самого эфира, соответственно, отвергаются Большой Взрыв и существование Чёрных дыр. Тем самым отвергается акт появления Вселенной 13,7 млрд. лет тому назад. Вселенная, таким образом, признаётся как вечно существующей. Тогда, исходя из признания вечности Вселенной, возникают два запрета: 1) нельзя постулировать, что гравитоны необратимо преобразуются в какой-либо иной вид энергии или материи, 2) нельзя постулировать, что какой-либо вид материи необратимо преобразуется в гравитоны. В первом случае, через какое-то, достаточно большое, время исчезнут все гравитоны, а во втором случае исчезнет вся материя, и останутся одни гравитоны.

Что будем выбирать? А выбора нет!

Практически все гравитонные теории гравитации основываются на гипотезе Лесажа. В 1756 г. Лесаж предложил простую кинетическую теорию гравитации, которая давала объяснение силы в уравнении Ньютона. Из гипотезы Лесажа вытекал закон тяготения в формулировке Ньютона. Кроме того, из гипотезы Лесажа следует конечность радиуса действия сил гравитации, так как на расстоянии, большем длины свободного пробега гравитона, тяготение практически исчезает. В основе гипотезы Лесажа лежит предположение о существовании в природе хаотично движущихся с большими скоростями частиц, которые очень редко сталкиваются между собой, легко проходят через тела, изредка поглощаясь ими, или теряя часть энергии при столкновениях с частицами тела. В дальнейшем такие частицы стали называть гравитонами.

Еще немного и можно окончательно запутаться в дебрях гравитационных гипотез, поэтому нужно закончить этот короткий обзор полевой и геометрической систем подхода к проблеме гравитации, но есть еще одно весьма популярное направление – это идея теорий струн и М-теории, о которых также следует вкратце упомянуть.

Историю струн (струнная теория гравитации), ее появление относят к 1968 году, когда два молодых теоретика из ЦЕРНа, Габриэле Венециано и Махико Сузуки, занимались математическим анализом столкновений пионов. Подобные квантовые коллизии описывают с помощью матрицы рассеяния, которая позволяет найти вероятности переходов сталкивающихся частиц из начальных состояний в конечные.
В каждом конкретном случае ее обычно вычисляют лишь с некоторым приближением.

Венециано и Сузуки установили, что амплитуду парного рассеяния высокоэнергетичных пионов с высокой точностью можно вычислить с помощью бета-функции, которую в 1730 году придумал Леонард Эйлер. Данную функцию используют редко и церновские физики наткнулись на нее случайно, просматривая математические справочники. Событие вызвало немалый интерес среди других физиков, т.к. было установлено, что амплитуда пион-пионного рассеяния задается разложением в бесконечный ряд, первый и основной член которого как раз совпадает с формулой Венециано–Сузуки.

Стоило зацепиться, и как говорят – «пошло поехало».

В 1970 году квартет физиков: Ёчиро Намбу, Тецуо Гото, Леонард Сасскинд и Хольгер Нильсен обнаружили интересное совпадение. Они вывели ту же формулу, предположив, что взаимодействие между сталкивающимися пионами возникает из-за того, что их соединяет бесконечно тонкая колеблющаяся нить, подчиняющаяся законам квантовой механики. Этот неожиданный результат дал толчок изобретению моделей, представляющих элементарные частицы в виде сверхмикроскопических одномерных камертонов, вибрирующих на определенных нотах. Их-то и стали называть струнами.

Теория струн в 80-х, 90-х годах бурно развивалась, и ожидалось, что на ее основе будет сформулирована так называемая «единая теория» или «теория всего». Но, несмотря на математическую строгость и целостность данной теории, пока не найдены те самые гравитоны в экспериментах для подтверждения теории струн. Теория, возникшая, казалось бы, для описания адронной физики, но на поверку оказалась не подошедшая для этого, она оказалась в экспериментальном вакууме описания всех взаимодействий. В начале зарождения теории струн предполагалось, что она математически корректна только в случае, если пространственно-временной континуум является 26-мерным. Но потом в нее был введен спин и ее пространство-время сократилось до 10 (девять пространственных измерений и одно временное). Вот тут физики удивились тому, что теория сама выбрала размерность.

Но чего-то опять не хватало для триумфа, тогда, решая струнные уравнения, разомкнутые концы струн замкнули и получились кольца, которым соответствовали неизвестные науке безмассовые частицы со спином 2.

В 1974 году физики Шварц и Шерк заявили, что таинственная и безмассовая частица струнной модели и есть гравитон! Эти же господа подсчитали и длину данной струны, она, по их мнению, должна составлять 10 -33 см! С такими размерами объектов наука еще не встречалась.

Несмотря на все коллизии и трудности разработка теории струн, как говорят теоретики, она позволила глубже понять структуру предшествующих ей теорий квантовой гравитации.

Ну, слава Богу, хоть что-то пошло на пользу. Поэтому данная теория продолжает и дальше разрабатываться, углубляясь в пучину математических и музыкальных метаморфоз. Появились мембраны, потом их для краткости стали называть просто браны, и опять пошел количественный отсчет: 2 браны, 3 браны, p-браны и т. д. Теория струн стала превращаться в теорию бран произвольной размерности – от 1 до 9.

Мембрана – это очевидно резонатор, где усиливается музыкальный звук, издаваемый струнами. Далее ждем смычка или медиатора, после чего должна зазвучать долгожданная мелодия гравитации.

Нет, не зазвучит, не хватает самого важного элемента – музыканта.

Ждем-с… и того и другого.

Теоретики данного направления возлагают большие надежды на эксперименты на (БАК), возможно, вылетят частицы Бога с размерностью 10 -33 см.

Судя по последним экспериментам, да кажется, что-то похожее вылетело.

В физике теорий по гравитации наметился изящный, я бы даже сказал, вычурный стиль математики и экзотических терминов, Авторы пытаются перещеголять друг друга избытком теоретических тонкостей, порой совсем не относящихся к гравитации. Создание и развитие математического аппарата для описания физических взаимодействий мало способствовало, как показывает время, развитию самой теории гравитации. Зато, какие красивые и непонятные названия: кривизна пространства-времени, геометрическая и калибровочная концепция физических полей, тензор энергии-импульса электромагнитного поля, фермионные вибрации струн, хамелеонное поле и т.п. Одним словом – схоластика и далекий от реальности мир теорий уже существует сам по себе.

В данной статье я не ставил задачу охватить весь мир теорий по гравитации , существующих в полевой и геометрической форме, да это и не возможно, я лишь кратко очертил круг проблемы и ее предполагаемые подходы решения, существующие в физике. Сразу скажу, что мне они не подходят.

Заманчивость самой древней загадки тяготения, с ее обширным полем для научных фантазий, толкает теоретиков на «сизифов труд» написания новых гипотез. После чего появились новые направления: геометродинамика, эфиродинамика и т.д.

Заканчивая этот обзор теорий гравитации, добавлю еще одну фразу. Человечество живет и существует с самого его зарождения в поле гравитации, но до сих пор не нашло внятного объяснения этому физическому явлению, это говорит только об одном, что все существующие теории гравитации , на самом деле не теории, а только гипотезы, с малой долей приближения к истине. На тривиальный вопрос, поставленный в заголовке данной статьи «полевая или геометрическая – чья возьмет? », могу ответить: ничья не возьмет!

Профессор Эрик Верлинде (Erik Verlinde) из Амстердамского университета разработал новую гипотезу гравитации. Свои выкладки ученый опубликовал на днях в нескольких научных изданиях. Основную часть гипотезы он предложил еще в 2010 году. Главный ее посыл в том, что гравитация не является фундаментальной силой природы, скорее, это случайный феномен.

По словам Верлинде, гравитация появляется в результате изменения в главных битах информации, сохраненных в самой структуре пространства и времени. Он утверждает, что гравитация объясняется определенным различием в плотности энтропии в пространстве между двумя телами и в окружающем пространстве. Так, притяжение двух макроскопических тел он объясняет ростом полной энтропии с уменьшением расстояния между телами. Другими словами, система просто переходит в более вероятное макросостояние.

В своей статье от 2010 года ученый показал, как второй закон Ньютона, которым можно объяснить падение яблок с дерева или стабильную орбиту искусственного спутника Земли, может быть частным проявлением взаимодействия этих элементарных блоков материи. «Законы Ньютона не работают на микроуровне, но они действуют на уровне яблок и планет. Вы можете сравнить это с давлением газа. Сами по себе молекулы газа не создают никакого давления, но некоторый объём газа оказывает давление», заявил ученый в 2010 году. По Верлинде, поведение звезд в галактиках, которые, по мнению многих ученых, не согласуются с общепринятыми представлениями о пространстве-времени, может быть объяснено без введения дополнительного фактора вроде темной материи.

Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике - гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение. Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, но косвенных признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам. Выяснение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.

Дело в том, что внешние области галактик вращаются гораздо быстрее вокруг своего центра, чем должны. Ученые уже довольно давно просчитали скорость вращения галактик в случае, если звезды, планеты, туманности, то есть видимая материя - это вся материя, которая есть во Вселенной. На самом деле, что-то в значительной степени усиливает гравитацию, и поэтому внешние области галактики вращаются быстрее, чем должны. Для обозначения этого «что-то» ученые и предположили возможность существования невидимой материи, которая, тем не менее, оказывает значительное воздействие на все объекты в видимой части Вселенной. Причем темной материи, согласно расчетам, должно быть в несколько раз больше обычной материи. Если точнее, то считается, что 80% материи в нашей видимой части Вселенной - это темная материя.

Первыми, кто провел точные и надежные вычисления, указавшие на существование темной материи, были астрономы Вера Рубин из Института Карнеги и Кент Форд. Результаты измерений показали, что большинство звёзд в спиральных галактиках двигаются по орбитам примерно с одинаковой угловой скоростью, что приводит к мысли, что плотность массы в галактиках одинакова и для тех регионов, где находится большинство звёзд, и для тех регионов (на краю диска), где звёзд мало.

Несмотря на то, что существование темной материи признается большинством ученых, прямых доказательств ее существования нет. Все эти доказательства - косвенные.

По мнению Эрика Верлинде, все можно объяснить и без добавления в современную модель существования Вселенной таинственной материи, которую нельзя обнаружить. Верлинде говорит, что его гипотеза проверена, и она точно предсказывает скорость вращения звезд вокруг центра нашей галактики, а также скорость вращения внешних регионов других галактик вокруг общего центра.

«Новое видение теории гравитации согласуется с наблюдениями ученых. По большому счету, гравитация просто не ведет себя так в больших масштабах, как предсказывает теория Эйнштейна», - заявил Верлинде.

На первый взгляд, основные принципы гипотезы Верлинде схожи с принципами других гипотез, включая MOND (modified Newtonian Dynamics). Но на самом деле это не так: MOND просто модифицирует общепринятую теорию, используя ее принципы и положения. А гипотеза голландца работает с новыми принципами, отправная точка здесь иная.

В гипотезе нашлось место голографическому принципу , сформулированным учителем Верлинде Герардом "т Хоофтом (получил в 1999 году Нобелевскую премию) и ученым Леонардом Сасскиндом (Стэнфордский университет). Согласно этому принципу, всю информацию во Вселенной можно описать, как гигантскую воображаемую сферу вокруг нее. Теория на границах исследуемой области пространства должна содержать, самое большее, одну степень свободы на планковскую площадь. Верлинде утверждает, что эта теория не учитывает того, что часть информации в нашей вселенной не является лишь проекцией, она вполне реальна.

И эта дополнительная информация как раз и является причиной более быстрого вращения внешних областей галактик по сравнению с расчетными показателями. Реальная информация в нашей Вселенной способна объяснить еще один дополнительный фактор - темную энергию, которая, как сейчас принято считать, является главной причиной безостановочного расширения Вселенной. Причем, как показали в 1998 году нобелевские лауреаты Сол Перлмуттер, Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс, скорость расширения Вселенной не константа, как считалось ранее, эта скорость постоянно увеличивается. Общепринятая теория гласит, что на долю темной энергии приходится около 70% содержимого Вселенной, следы ее ученые стараются найти в микроволновом фоновом излучении.

Профессор утверждает, что сейчас многие физики работают над пересмотром теории гравитации, и некоторые успехи в этой сфере уже сделаны. По мнению голландца, наука стоит на пороге революции, которая сможет изменить представления людей о природе пространства, времени и гравитации.

В то же время многие физики продолжают считать, что темная энергия и материя реальны. Так, Сесандри Надатур (Sesandri Nadathur) из университета Портсмута (Великобритания) в прошлом месяце опубликовали свою работу в