Страница 12 из 40
Космологические наблюдения могли свидетельствовать лишь о нетривиальности геометрии Вселенной, но никак не о справедливости тех или иных уравнений гравитации. Американцу Кипу Торну, в то время студенту, а ныне одному из корифеев гравитационной физики, его учителя не советовали заниматься ОТО — теорией, по их мнению, очень слабо связанной с остальной физикой и астрономией. Но он не послушался и стал не только выдающимся специалистом в области гравитационных волн, но и исследователем гипотетических пространственно-временных туннелей.
Ситуация стала меняться только в конце 1950-х — начале 1960-х. Развитие экспериментальной техники позволило запланировать и осуществить ряд новых проверок теории гравитации, а астрономические наблюдения все убедительнее свидетельствовали о реальности источников сильных гравитационных полей в космическом пространстве. Возросло и число альтернативных теорий гравитации. Были предсказаны десятки новых эффектов, сопровождаемые не меньшим числом предложений по их проверке.
На этом фоне еще более поразительным выглядит то обстоятельство, что именно ОТО подтверждается со все возрастающей точностью. Так, один из столпов теории — принцип эквивалентности — сегодня проверен с фантастической точностью (одна 10-миллиардная доля процента).
Впрочем, похоже, что возможности экспериментов на поверхности Земли на этом себя и исчерпали — слишком уж мешают исследованиям многочисленные атмосферные, сейсмические и техногенные шумы. Считается, что существенно повысить точности позволит планируемый спутниковый эксперимент STEP (Satellite Test of the Equivalence Principle). Принцип эквивалентности предсказывается всеми обобщениями ОТО, в которых гравитация отождествляется с кривизной.
Другим, не менее универсальным эффектом, одинаковым для целого класса теорий, представляется так называемое гравитационное красное смещение. Суть его проста и заключается в том, что фотон, удаляясь от тяготеющего центра, теряет энергию и перемещается в более длинноволновую часть спектра — иначе говоря, «краснеет». А приближаясь к тяготеющему центру — «голубеет». Для сравнения: камень, подброшенный вверх, теряет скорость, а падающий вниз — увеличивает ее. В ОТО этот эффект связывается с замедлением хода часов: чем ближе они к источнику гравитационного поля, тем их ход медленнее. Проверен он как для фотонов (опыты 1965 года с резонансным поглощением гамма-фотонов атомными ядрами), так и непосредственно для часов (сдвиги показаний прецизионных атомных часов при полетах на самолетах). В действительности это тот самый эффект, который превращает ОТО из абстрактной теории в реально работающий инструмент. Глобальные спутниковые навигационные системы типа GPS, активно используемые моряками, военными и спасателями, включают в себя сверхточные часы. На точность их хода влияют и скорость спутника (эффект СТО), и гравитационное поле Земли (эффект ОТО), поэтому поправки на все это закладываются в программы обсчета сигналов, и летающие часы периодически «замедляют» с тем, чтобы они шли, как земные. Причем за один оборот спутника вокруг Земли набирается такая разность хода часов, пренебрежение которой ведет к ошибке в 50—100 м при определении координат наземного приемника. Эффект отклонения света (и радиоволн) — также многократно и с большой точностью перепроверенный — стал основой теории гравитационного линзирования — главного метода обнаружения сгустков скрытого вещества во Вселенной. Еще одно подтверждение ОТО — измерение задержки электромагнитного сигнала в поле Солнца (эффект Шапиро). Эта задержка обусловлена не замедлением скорости хода сигналов (скорость света всюду одинакова), а удлинением их пути по сравнению с расчетным для плоского пространства.
Опыты состояли в активной радиолокации космических аппаратов, и наиболее точные данные были получены с помощью орбитального и спускаемого аппаратов серии «Викинг», запущенных на Марс в 1977 году. Эффект составил ни много ни мало около 250 микросекунд, тогда как сами сигналы путешествовали в межпланетном пространстве около часа. В целом эффекты ОТО в Солнечной системе представляют собой малые поправки к предсказаниям классической физики, и проверены они с точностью до десятых долей процента.
Космос в свете ОТО
И все же куда более интересных явлений следует ожидать в сильных гравитационных полях. Их ищут и находят: теоретики — с помощью математических выкладок и рассуждений, астрономы с использованием все более совершенных приборов. Так, нейтронные звезды, существование которых еще в 1930-х годах предсказывали Оппенгеймер и Волков (кстати, на основе уравнений ОТО), были открыты в 1967 году в виде радиопульсаров. Бурное развитие астрономии и физики пульсаров привело, помимо прочего, и к новым подтверждениям ОТО. Пульсары сверхплотные объекты с массами порядка солнечной и размерами порядка нескольких километров часто находятся в двойных системах и порой довольно тесных. Высокая стабильность пульсарных «часов» дает возможность неплохо отслеживать небесную механику такой двойной системы.
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. Сингулярности 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. В отличие, скажем, от горизонта (границы) черной дыры (гладкой поверхности, работающей по принципу «всех впускать, никого не выпускать») сингулярности 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.