Гравитация и относительность - Цзю Х.
Скачать (прямая ссылка):
Поиски новых релятивистских эффектов
Вторая область, в которой проводятся в настоящее время гравитационные эксперименты, это обнаружение других эффектов, предсказываемых общей теорией относительности, но до сих пор не наблюдавшихся. Одним из таких эффектов является ориентация оси вращения гироскопа в поле вращающейся Земли. Теория этого эффекта недавно обсуждалась Шиффом [13], и мы дадим здесь ее резюме.
Введение
37
По теории Ньютона, такой гироскоп при отсутствии трения и асимметрии должен все время сохранять свою ориентацию в «пространстве» относительно «неподвижных» звезд. И общая, и частная теории относительности предсказывают прецессию его оси вращения, вызываемую тремя причинами:
1. Так как гироскоп участвует во вращении Земли, то его ориентация должна изменяться по закону параллельного переноса векторов в общей теории относительности. Понятие параллельного переноса вектора рассматривается в гл. 2 в связи с идеями ковариантного дифференцирования и аффинности. При переносе по окружности около центральной массы такой вектор не возвращается к своей первоначальной ориентации. Этот эффект называется геодезической прецессией.
2. Вблизи вращающейся массы инерциальная система «вовлекается во вращение» с некоторой небольшой долей угловой скорости центральной массы. Поэтому гироскоп, если он даже покоится вблизи Земли и его ось не параллельна земной оси, должен менять свою ориентацию относительно неподвижных звезд. Этот эффект называется прецессией Лензе — Тирринга.
3. Вращающийся объект, движущийся вместе с Землей (благодаря ее вращению), подвергается действию негравитационных сил (со стороны несущего устройства) и поэтому должен совершать прецессию согласно частной теории относительности.
В случае гироскопа, расположенного на экваторе Земли, при ориентации его оси вращения перпендикулярно земной оси все три эффекта примерно одинаковы и составляют около 0,4" в год. Если гироскоп помещен на спутнике, первые два эффекта несколько уменьшатся и будут зависеть от параметров орбиты, а третий эффект исчезнет.
Эти прецессионные эффекты исключительно малы и поэтому обычно совершенно маскируются неидеаль-ностью приборов. Их было бы, однако, интересно обнаружить. Сейчас работа по конструированию достаточно стабильных гироскопов для этого эксперимента проводится в двух направлениях. В одном случае используется сверхпроводящий вращающийся шар с магнитной
38
Введение
подвеской (Фэйрбэнк и Литтл в Стэнфорде1)); Другой подход, с использованием вращающегося шара на электростатической подвеске, разрабатывается научной лабораторией при Иллинойсском университете [26].
Гравитаццонное излучение является особенно интересной областью для исследования как с теоретической, так и с экспериментальной точки зрения. Правда, неизвестно, достаточно ли мощно гравитационное излучение галактических источников для того, чтобы его можно было обнаружить. В гл. 5 Вебер кратко излагает теоретические основания, позволяющие говорить о существовании гравитационного излучения, и описывает попытки обнаружить его, с большой смелостью и с большим уменьем предпринимаемые им вместе с сотрудниками.
Гравитационные эффекты, предсказываемые или допустимые с тонки зрения других теорий и гипотез о тяготении
Ввиду крайней немногочисленности эффектов, предсказываемых общей теорией относительности и поддающихся обнаружению, можно попытаться найти такие эффекты, которых общая теория относительности не предсказывает, но которые допустимы по другим приемлемым соображениям или с точки зрения альтернативных теорий. В этом направлении начал проводить исследования Дикке — как в своей работе, где указывается круг альтернативных теорий, в равной мере с общей теорией относительности согласующихся с экспериментальными фактами, так и в ряде предложенных им опытов (гл. 7, 8 и 12).
Некоторые из этих экспериментов группируются вокруг попыток обнаружения эффектов предпочтительной системы отсчета для явлений с участием гравитационного поля, о существовании которой можно думать, если исходить из принципа Маха. В известном смысле предпочтительной является, очевидно, система отсчета, определяемая первым законом Ньютона, — инерциальная система, в которой тела, если на них не действуют силы,
Этот эксперимент рассматривается в работах [25].
Введение
39
сохраняют состояние равномерного прямолинейного движения (или покоя) и относительно которой гироскоп сохраняет свою ориентацию. С точки зрения наблюдений эта система отсчета в смысле вращения оказывается той же, что и система, связанная с удаленными от нас неподвижными звездами (с точностью до произвольного равномерного прямолинейного движения). Кроме того, можно представить себе однозначно выделенную фиксированную систему отсчета, которую можно определить как покоящуюся относительно среднего движения разбегающихся галактик в нашем расширяющемся мире, т. е. как систему, относительно которой объекты, находящиеся на больших удалениях, в общем не вращаются, а скорости разбегания галактик изотропны и не зависят от направления, выбранного для их наблюдения.
