Космический плацдарм




 
Космический плацдарм - научная база изучения космоса
Плацдарм
  Постулаты мира
Vita germetica
Научная база
Главная
Относительность мира
Практическая теория
Мост между мирами
Страница: Относительность мира (1-я часть), Относительность мира (2-я часть);
Космический плацдарм
Постулаты относительности мира

Синтез физики с геометрией

    Впрочем, не будем забегать вперед и вернемся к 1920-1930-м годам - ко времени активного проникновения физики в микромир и формирования языка, адекватного его свойствам - квантовой механики, позднее - квантовой электродинамики и еще шире - квантовой теории поля. Квантовая теория поначалу строилась в рамках старых, ньютоновских понятий абсолютного пространства и абсолютного времени (нерелятивистская квантовая механика) и с немалыми усилиями осваивала мир высоких скоростей и больших энергий, обретая содержание в четырехмерном пространстве - времени Минковского.
    Понимание гравитации как кривизны пространства придавало ОТО исключительный характер по сравнению со всей остальной физикой, а это противоречило важному как для философов, так и для физиков ощущению единства материального мира. С другой стороны, в самом теоретическом выстраивании ОТО возникал ряд важных проблем, одна из них известна как проблема энергии. Понятия энергии и других сохраняющихся величин играют весьма существенную роль в построении
Стивен Хокинг
Стивен Хокинг - один из наиболее активных исследователей черных дыр, профессор Кембрид-жского университета.
Многомерные пространства
Одна из трех ультракриогенных гравитационных антенн, предназначенных для поиска сигналов от взрыва сверхновых звезд.
Детектор
квантовой теории. В плоском пространстве без затруднений формулируются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса - они, как известно, связаны с симметрией пространства относительно временных сдвигов, пространственных трансляций и поворотов. В кривом пространстве подобных симметрий нет, поэтому определить энергию и импульс гравитационного поля в ОТО без противоречий было затруднительно.
    По этой и некоторым другим причинам не все физики согласились с ОТО. Попытки построения теории гравитации в неискривленном пространстве Минковского продолжаются и по сей день. В отличие от первых подобных попыток новые авторы научились объяснять эффекты, «сделавшие имя» ОТО: в них гравитация представляется полем с нормальными законами сохранения и с надеждами на квантование наравне с другими физическими полями. Согласно книге «Теория и эксперимент в гравитационной физике» известного американского специалиста в области релятивистской теории гравитации К. Уилла, к 1960 году таких теорий насчитывалось не менее 25. Но ни тогда, ни впоследствии они не вызвали сколько-нибудь заметного интереса, хотя их приверженцы с этим не согласятся. А вот тенденция к «сведению всей физики к геометрии» породила целый ряд новых идей, которые и поныне остаются актуальными в теоретической физике. В этой связи ОТО рассматривалась как основа для обобщения, которое достигалось за счет введения более сложных видов геометрии, чем риманова (Вейль, Эддинстон, Картан), повышения размерности пространства - времени путем введения дополнительных невидимых координат (Калуца, Клейн), расширения требований к симметрии исходной формулировки теории (принцип калибровочной симметрии Вейля). Ставилась амбициозная задача, которая выходила за рамки простого объединения электромагнитного и гравитационного полей - получить из единого поля заодно и характеристики тех немногих элементарных частиц, которые к тому времени были уже известны. Альберт Эйнштейн не только не остался в стороне от этих усилий, но и был явным лидером построения единой теории поля на основе ОТО, оставаясь таковым до конца жизни... Впрочем, описание этих попыток только отдаляет нас от основной темы - гравитации. Приведем слова, сказанные одним из создателей квантовой механики, Вернером Гейзенбергом, в начале 1960-х: «Это великолепная в своей основе попытка... Но в то самое время, когда Эйнштейн занимался единой теорией поля, непрерывно открывались новые элементарные частицы, а с ними - сопоставленные им новые поля. Вследствие этого для проведения эйнштейновской программы еще не существовало твердой эмпирической основы, и попытка Эйнштейна не привела к каким-либо убедительным результатам»... Более того, задача построения единой «теории всего на свете» остается центральной задачей теоретической физики на ближайшее будущее.
    К концу 1950-х физике были известны уже не два, а четыре фундаментальных взаимодействия - гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное (объединяющее протоны и нейтроны в атомные ядра) и слабое ядерное (отвечающее за многие превращения частиц и ядерные реакции, к примеру бета - распад). Причем гравитационное взаимодействие в этом ряду представлялось чем-то малосущественным - применительно к частицам оно было во много раз слабее даже слабого взаимодействия и казалось совершенно неважным в физике микромира. Все новые и новые экспериментальные данные о трех остальных взаимодействиях добывались на ускорителях. Бурно развивалась квантовая теория поля в плоском пространстве-времени на основе СТО, ставя и решая проблемы физики элементарных частиц. На этом фоне занятия гравитацией казались едва ли не чудачеством. Важность ОТО как фундаментальной теории признавалась, но ее экспериментальный базис был невелик: один эффект (в движении Меркурия) - проверка с точностью около 1% и один (отклонение света вблизи Солнца) - с точностью около 30%. Космологические наблюдения могли свидетельствовать лишь о нетривиальности геометрии Вселенной, но никак не о справедливости тех или иных уравнений гравитации. Американцу Кипу Торну, в то время студенту, а ныне одному из корифеев гравитационной физики, его учителя не советовали заниматься ОТО - теорией, по их мнению, очень слабо связанной с остальной физикой и астрономией. Но он не послушался и стал не только выдающимся специалистом в области гравитационных волн, но и исследователем гипотетических пространственно-временных туннелей.
    Ситуация стала меняться только в конце 1950-х - начале 1960-х. Развитие экспериментальной техники позволило запланировать и осуществить ряд новых проверок теории гравитации, а астрономические наблюдения все убедительнее свидетельствовали о реальности источников сильных гравитационных полей в космическом пространстве. Возросло и число альтернативных теорий гравитации. Были предсказаны десятки новых эффектов, сопровождаемые не меньшим числом предложений по их проверке.
Пространство
Наше привычное и гладкое пространство, оказывается, в прямом смысле слова "кипит" и "дышит" на микроуровне, где начинают проявляться квантовые свойства гравитации.
Квантовые свойства гравитации

    На этом фоне еще более поразительным выглядит то обстоятельство, что именно ОТО подтверждается со все возрастающей точностью. Так, один из столпов теории - принцип эквивалентности - сегодня проверен с фантастической точностью (одна 10-миллиардная доля процента).
    Впрочем, похоже, что возможности экспериментов на поверхности Земли на этом себя и исчерпали - слишком уж мешают исследованиям многочисленные атмосферные, сейсмические и техногенные шумы. Считается, что существенно повысить точности позволит планируемый спутниковый эксперимент STEP (Satellite Test of the Equivаlеnсе Principle). Принцип эквивалентности предсказывается всеми обобщениями ОТО, в которых гравитация отождествляется с кривизной.
    Другим, не менее универсальным эффектом, одинаковым для целого класса теорий, представляется так называемое гравитационное красное смещение. Суть его проста и заключается в том, что фотон, удаляясь от тяготеющего центра, теряет энергию и перемещается в более длинноволновую часть спектра - иначе говоря, «краснеет». А приближаясь к тяготеющему центру - «голубеет». Для сравнения: камень, подброшенный вверх, теряет скорость, а падающий вниз - увеличивает ее. В ОТО этот эффект связывается с замедлением хода часов: чем ближе они к источнику гравитационного поля, тем их ход медленнее. Проверен он как для фотонов (опыты 1965 года с резонансным поглощением гамма-фотонов атомными ядрами), так и непосредственно для часов (сдвиги показаний прецизионных атомных часов при полетах на самолетах).
    В действительности это тот самый эффект, который превращает ОТО из абстрактной теории в реально работающий инструмент. Глобальные спутниковые навигационные системы типа GPS, активно используемые моряками, военными и спасателями, включают в себя сверхточные часы. На точность их хода влияют и скорость спутника (эффект СТО), и гравитационное поле 3емли (эффект ОТО), поэтому поправки на все это закладываются в программы обсчета сигналов, и летающие часы периодически «замедляют» с тем, чтобы они шли, как земные. Причем за один оборот спутника вокруг Земли набирается такая разность хода часов, пренебрежение которой ведет к ошибке в 50-100 м при определении координат наземного приемника.
    Эффект отклонения света (и радиоволн) - также многократно и с большой точностью перепроверенный - стал основой теории гравитационного линзирования - главного метода обнаружения сгyстков скрытого вещества во Вселенной. Еще одно подтверждение ОТО - измерение задержки электромагнитного сигнала в поле Солнца (эффект Шапиро). Эта задержка обусловлена не замедлением скорости хода сигналов (скорость света всюду одинакова), а удлинением их пути по сравнению с расчетным для плоского пространства. Опыты состояли в активной радиолокации космических аппаратов, и наиболее точные данные были получены с помощью орбитального и спускаемого аппаратов серии «Викинг», запущенных на Марс в 1977 году. Эффект составил ни много ни мало около 250 микросекунд, тогда как сами сигналы путешествовали в межпланетном пространстве около часа.
    В целом эффекты ОТО в Солнечной системе представляют собой малые поправки к предсказаниям классической физики, и проверены они с точностью до десятых долей процента.

Космос в свете ОТО

    И все же куда более интересных явлений следует ожидать в сильных гравитационных полях. Их ищут и находят: теоретики - с помощью математических выкладок и рассуждений, астрономы - с использованием все более совершенных приборов. Так, нейтронные звезды, существование которых еще в 1930-х годах предсказывали Оппенгеймер и Волков (кстати, на основе уравнений ОТО), были открыты в 1967 году в виде радиопульсаров. Бурное развитие астрономии и физики пульсаров привело, помимо прочего, и к новым подтверждениям ОТО. Пульсары - сверхплотные объекты с массами порядка солнечной и размерами порядка нескольких километров - часто находятся в двойных системах и порой довольно тесных. Высокая стабильность пульсарных «часов» дает возможность неплохо отслеживать небесную механику такой двойной системы. Так пришло подтверждение выводов ОТО о вековых сдвигах перицентров (точки орбиты, ближайшие к центру, они же перигелий - для околосолнечных и перигей - для околоземных орбит) в двойных системах.
    Еще одно известное и едва ли не самое экзотическое предсказание ОТО - черные дыры. Современная астрофизика рассматривает их как вполне реальные космические объекты, возникающие в результате гравитационного коллапса тяжелых звезд и часто присутствующие в центрах галактик. Любопытно, что уже первое точное решение уравнений Эйнштейна, полученное в 1916 году немецким астрономом К. Шварцшильдом и характеризующее статическое поле тяготеющего центра, содержит описание простейшей черной дыры. Хотя полное понимание свойств решения Шварцшильда было достигнуто лишь в 1960 году. С того же времени физика черных дыр развивается как самостоятельное направление исследований, которое уже привело к ряду интересных и во многом основополагающих результатов.
    Еще одна область для обсуждения теоретических основ ОТО - это сингулярности (уходы в бесконечность), которые скрываются за горизонтами черных дыр. Это - точки, линии или поверхности, в которых пространство - время теряет гладкость, а величины, характеризующие кривизну, обращаются в бесконечность. Сингyлярности могут быть связаны с бесконечными плотностями и давлениями материи, но встречаются и чисто геометрические, например в решениях уравнений Эйнштейна в вакууме - в отсутствие материи. Неизбежность сингулярностей в решениях ОТО при очень общих условиях доказана в целом ряде теорем, и это указывает на то, что ОТО, по-видимому, не совсем точна при описании сверхсильных гравитационных полей.

Две теории - два мира: ученые внесшие значительный вклад
IC 418
NGC 3132
Альберт Эйнштейн (1879-1955)
Жюль-Анри Пуанкаре (1854-1912)
Бумеранг
Тарантул
Альберт Майкельсон (1852-1931)
Герман Минковский (1864-1909)

    В отличие, скажем, от горизонта (границы) черной дыры (гладкой поверхности, работающей по принципу «всех впускать, никого не выпускать») синryлярности представляют для теории реальную проблему: исходя из самой теории, указывают границы ее применимости или же места, где она перестает работать. Таким образом, ОТО сама подсказывает необходимость выхода за ее рамки. В связи с этим существуют предложения, связанные с попытками учесть квантовые явления. Хотя взаимоотношения гравитации и квантовой теории - отдельная и достаточно сложная история. Существует несколько способов получения квантовых версий ОТО, которые приводят к принципиально разным результатам. По этой причине многие специалисты полагают, что квантовая гравитация должна строиться не на основе ОТО, а на основе более общей и более глубокой теории, объединяющей гравитацию с другими взаимодействиями.


Совершенство бесконечности

    На сегодняшний момент практически треть ежегодно представляемых научных работ в области гравитации так или иначе оказывается в области классической ОТО и ее астрофизических и космологических приложений. Совершенствуется математический аппарат, включая методы поиска решений уравнений Эйнштейна, находятся новые решения и анализируются старые, обсуждаются принципиальные вопросы и рассчитываются наблюдаемые эффекты. В экспериментальном разделе много работ, предлагающих попытки регистрации гравитационных волн, а также предложения о проведении измерений в космосе. Есть раздел альтернативных подходов, среди которых на почетном месте многомерные теории и теории объединения взаимодействий, включая гравитацию.
    Разработчики обобщений ОТО преследуют довольно разнообразные цели. Это и попытки преодолеть ее трудности, сохранив или усилив достоинства, и стремление учесть принципы и явления, в ОТО не представленные. Но, пожалуй, главное во всех новых теориях - это подход к гравитации как к составной части будущей «теории всего на свете». Объединенные модели гравитации, как правило, используют более сложные геометрические структуры, чем четырехмерная риманова геометрия, а также новые физические поля, помимо метрики. Многие из них используют идеи, выдвинутые еще в начале 1920-х годов. И все же каждая из таких теорий при наложении некоторых ограничений сводится к ОТО. Как и в ОТО, в них ведется поиск решений, представляющих физический интерес (черные дыры, космологические модели и так далее), и предсказаний, допускающих проверку наблюдениями.
    Таким образом, несмотря на блестящий экспериментальный статyс ОТО, большинство современных специалистов рассматривают ее не как последнее слово в этой области физики, а как низкоэнергетический предел пока еще не известной фундаментальной теории - скорее всего многомерной и объединяющей все взаимодействия.
    А значит, скорее всего, ОТО предстоит повторить судьбу теории Ньютона - отступить с переднего края исследований в глубокий тыл, став всего лишь важным предельным случаем новой, еще более совершенной теоретической конструкции.


Относительность мира          Практическая теория


Заправка картриджа samsung заправить картридж samsung.
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru