Гравитация и вселенная - Дикке Р.
Скачать (прямая ссылка):
Предисловие
екая физика и внелабораторный опыт могут послужить исследованию сверхслабого гравитационного взаимодействия. Я нахожу вдохновляющим тот факт, что одна из фундаментальных проблем физики получает освещение через разрозненные и запутанные аспекты наук, которые по традиции считаются лежащими вне рамок компетенции физики. I. ОПЫТ ЭТВЕША И ГРАВИТАЦИЯ
ВВЕДЕНИЕ.
Единственными известными физическими взаимодействиями дальнего радиуса действия являются электромагнитное и гравитационное. Эти взаимодействия приводят к силам, с которыми тела действуют друг на друга на расстоянии. Известно также и два класса сил короткого радиуса действия: «сильное взаимодействие», которое, в числе прочего, уравновешивает силы электростатического отталкивания между протонами и сохраняет целостность атомного ядра, и «слабое взаимодействие», ответственное за радиоактивный распад — самопроизвольное превращение одного атомного ядра в другое с испусканием электрона или позитрона. Самым сильным из известных является только что названное «сильное взаимодействие», тогда как самым слабым является гравитационное. Сила • гравитационного взаимодействия между протоном и электроном в атоме водорода составляет всего лишь 4-Ю-40 от силы электростатического притяжения, удерживающего электроЬ в атоме.
Чрезвычайная слабость гравитационного взаимодействия препятствует его экспериментальному исследованию в лабораторных опытах обычного типа. Физик-экспериментатор по традиции привязан к лаборатории. Его достижения в значительной мере связаны с концентрацией усилий на каком-то одном отдельном аспекте физики и с затворничеством в лаборатории, изолированной от всех воздействий со стороны внешнего мира. Тот факт, что такая изоляция вообще в принципе возможна, объясняется счастливым сочетанием трех обстоятельств: а) короткодействующим характером исследуемых сил и связанной с этим локализу-емостью процессов; б) реальной возможностью исключить возмущения со стороны электромагнитных взаимодействий длинного радиуса действия, проходящие извне лаборатории, посредством экранировки; наконец, в) тем свойством тяготения (по самой своей природе не поддающегося экранировке), что на свободно падающей Земле исчезают возмущения, которые это взаимодействие дальнего радиуса действия приносит из удаленных частей Галактики. 18
I. Опыт Этвеша и гравитация
Чрезвычайная слабость гравитационного взаимодействия ведет к- тому, что лишь объединение в телах астрономических масштабов множества атомов способно породить гравитационные поля достаточной силы для успешного проведения гравитационного эксперимента. Физикам недоступно построение столь гигантских приборов в их лабораториях; поэтому им приходится покидать стены лаборатории, вступая в область астрофизики и геофизики, чтобы проводить решающие гравитационные опыты.
К счастью, наша Вселенная содержит такое множество объектов, и эти объекты так разнообразны по своим размерам, что находчивый экспериментатор может рассчитывать найти в ней уже готовые и действующие приборы, дающие фундаментальную информацию о природе тяготения. Последняя из этих лекций будет посвящена самому большому из таких приборов — самой Вселенной в целом. В ней мы проследим, как структура и история развития Вселенной увязываются с природой тяготения.
Те гравитационные опыты, которые интересуют нас сейчас, используют принцип относительности. Вообще говоря, для них требуются такие массивные и плотные тела, что орбитальное движение спутников вокруг них может совершаться со скоростями, приближающимися к скорости света. Телами этого типа могут быть пульсары и квазары, и можно надеяться, что в ближайшие годы подробное исследование этих загадочных объектов даст существенно новую информацию о природе тяготения. Главная трудность — это большие расстояния до них, и пока что большую часть информации мы получаем, используя менее подходящее, но гораздо более доступное астрономическое тело — наше Солнце.
, Солнце массивно, но не слишком плотно. Воображаемая планета будет обращаться около его поверхности со скоростью 240 км/с, или 1/700 скорости света. Скорость движения Земли по орбите составляет всего Ю-4 скорости света.
В Солнечной системе релятивистские эффекты очень малы, и требуется большая тщательность, чтобы провести измерения с необходимой степенью точности. Эксперименты, лежащие в основе релятивистских теорий тяготения, распадаются на два класса — совокупность экспериментов, 19 I. Опыт Этвеша и гравитация
которые дают отрицательные или положительные результаты [1]. Три знаменитых эффекта, служащих для проверки общей теории относительности, принадлежат к числу последних. Свидетельством гениальности Эйнштейна служит тот факт, что уже в своей первой работе по общей теории относительности — статье о гравитации, опубликованной в 1916 г.— он смог назвать всё эти три эффекта для проверки теории [2]. Я опишу соответствующие наблюдения и их современные варианты в следующей лекции.
Сейчас же я займусь опытом Этвеща [3] — одним из «отрицательных» экспериментов. Под «отрицательным» экспериментом я понимаю исключительно тонкую проверку теории, при которой, если теория неверна, должен обнаружиться некоторый эффект, а если теория верна, зтот эффект не обнаруживается, т. е. получается отрицательный результат. На мой взгляд, совокупность «отрицательных» экспериментов дает самые важные и убедительные наблюдательные основания для теории гравитации.
