Гравитация и вселенная - Дикке Р.
Скачать (прямая ссылка):
Громадные успехи, которых достигли физики за последние два столетия, в значительной мере обусловлены направленностью усилий к одной или немногим узким целям, заостренным вниманием к какому-то одному аспекту физического мира, причем этот аспект мысленно отделялся от всего остального физического мира. Так привычка и опыт навязывали физикам ограниченный кругозор. Их наука была чисто экспериментальной, и в своей маленькой лаборатории они воображали себя отрезанными от остального сложного мира.
Однако для того, чтобы выполнить решающие гравитационные опыты, физики должны отказаться от этого привычного взгляда. Их лабораторией должны стать Земля, Солнце, Солнечная система и даже вся Вселенная в целом. Но для опытов, проводимых в такой космической лаборатории, существуют суровые ограничения. Эти опыты нужно выполнять посредством приборов, состоящих из уже су- 14
Предисловие
ществующих астрономических объектов, и вне власти экспериментатора вносить в них какие-либо изменения. Такие гигантские физические системы крайне сложны и с трудом поддаются истолкованию.
Подход физика к природе связан с интересной философской проблемой. Можно ли в ходе выполнения лабораторного опыта игнорировать остальную часть Вселенной? Следует признать, что в принципе и физик, и его приборы так прочно связаны с остальной частью Вселенной, так органически погружены в нее, что даже мысленное разделение их невозможно.
По мнению Дж. Беркли и Э. Маха, имеет смысл лишь такое движение материи, которое происходит относительно другой материи. При построении теории относительности Эйнштейн испытывал влияние идей Маха — как этой, так и той, что наблюдаемые в ускоренно движущейся лаборатории силы инерции обусловлены распределением материи вдали от лаборатории.
В теории тяготения Эйнштейна ориентация инерциаль-ной системы отсчета относительно общего распределения масс обусловлена этим распределением. Но в этой теории, помимо указанной несколько тривиальной взаимосвязи, распределение материи во Вселенной вдали от лаборатории не приводит к другим эффектам, наблюдаемым в лаборатории.
В скалярно-тензорной теории тяготения взаимосвязь Вселенной и лаборатории несколько более непосредственная, но и здесь внешнее распределение материи не оказывает влияния на негравитационные физические процессы. Однако имеется важное различие между этими теориями: в последней силы гравитационного взаимодействия монотонно убывают по сравнению с силой других взаимодействий. Скалярное поле, генерируемое распределением материи во всей Вселенной, распространяется через всю Вселенную, проникает сквозь стены лаборатории и проявляется в гравитационном эксперименте, регулируя силу взаимодействия. Правда, и здесь реальный эффект мал. Обусловленное медленно меняющимся скалярным полем ожидаемое изменение гравитационной «постоянной» составляет всего (1—2) • IO-"11 в год (в относительных единицах) . Привязав лабораторию к локально инерциальной Предисловие
15
системе отсчета, можно в обеих теориях практически пренебречь остальной частью Вселенной, хотя с принципиальной точки зрения лаборатория от нее неотделима.
Гравитационное поле, опыт с которым описан в первой лекции, генерируется Солнцем, хотя влияние этого поля измеряется в лаборатории. Здесь в наши намерения не входит сравнение двух теорий тяготения — скорее, этот высокоточный опыт подводит солидную наблюдательную базу под обе теории сразу.
Вторая лекция посвящена давно известному эксперименту, впервые обсуждавшемуся Эйнштейном. В нем источником статического гравитационного поля вновь служит Солнце. Оно вместе с планетой Меркурий и составляет наш прибор. Рассматривается сплюснутость Солнца и ее влияние на результаты наблюдений. Давно известно, что эллиптическая орбита Меркурия медленно поворачивается в пространстве, что в первую очередь вызвано гравитационным воздействием со стороны других планет. Уже давно это движение было частично объяснено релятивистским эффектом, но открытие факта несферичности Солнца заставляет нас пересмотреть это истолкование. Можно полагать, что около 10% смещения перигелия, которое ранее считалось релятивистским, в действительности обязано нерелятивистскому воздействию со стороны несферического Солнца.
В третьей лекции рассматривается самая большая из возможных физических систем — Вселенная в целом. Ввиду ее чудовищных размеров и возраста в ней . очень существенны релятивистские эффекты. К тому же каждая из двух теорий дает свой ряд специфических предсказаний. Важно то соображение, что Вселенная развилась из чрезвычайно горячего «огненного шара»; разные теории делают существенно разные предсказания относительно образования гелия в таком «шаре». Анализ происхождения шаровых звездных скоплений нашей Галактики также приводит к несколько различным результатам, смотря по тому, какой из теорий тяготения мы пользуемся.
Мне бы очень хотелось, подводя итоги, привести решительные аргументы в пользу той или иной из двух теорий тяготения {или против нее), но у меня нет такой возможности. Однако удалось показать, каким образом космиче- 16
