Гравитация и вселенная - Дикке Р.
Скачать (прямая ссылка):
Не следует думать, что Эйнштейн строил свою теорию тяготения чисто дедуктивным путем, исходя из наблюдательных данных. Это отнюдь не так. Эйнштейн, конечно, знал об этих немногих фундаментальных фактах и полностью их учитывал. Однако общая теория относительности возникла, скорее, на основании интуиции и философского мышления, чем на базе непосредственного использования конкретных наблюдательных данных. В своих «Автобиографических заметках» Эйнштейн в возрасте 67 лет попытался восстановить ту историческую обстановку и настроения, которые привели его к общей теории относительности [4]. Я очень рекомендую всем эту увлекательную историю, однако сегодня мы займемся другим вопросом.
В конечном счете любая теория проверяется наблюдениями. Наблюдения могут лечь в основу теории, могут соответствовать теории, но не могут служить доказательством ее полной справедливости. Ведь одно-единственное наблюдение может опровергнуть теорию, тогда как окончательное доказательство ее справедливости не представляется возможным.
Сегодня, рассматривая опыт Этвеша — важнейший из «отрицательных» экспериментов,— я попытаюсь возможно полнее раскрыть его теоретическое значение. Я надеюсь 20
I. Опыт Этвеша и гравитация
сделать больше, чем просто проанализировать, согласуется ли этот опыт с общей теорией относительности.
В последние годы довольно много дискутировалась другая общерелятивистская теория тяготения, также основанная на идеях Эйнштейна и именуемая скалярно-тензорной теорией гравитации [5, 6]. Можно считать, что эта теория в определенной мере подтверждается рядом наблюдательных фактов, в том числе сплюснутостью Солнца [7], о чем я буду говорить в следующей лекции.
При анализе опыта Этвеша и его последующих вариантов я рассмотрю сам эксперимент и выводы, вытекающие из него, а также поставлю вопрос: в какой мере он подтверждает общую теорию относительности [2] или скалярно-тензорную теорию гравитации [16]? Кроме того, я опишу его решающий вариант, пока что не осуществленный [8, 19].
ОПЫТ ЭТВЕША
Этот опыт столь многогранен и интересен, что я даже не знаю, с чего начать. Во-первых, замечательна сама биография венгерского барона Роланда фон Этвеша [9]: едва избежав увлечения арктическими исследованиями, он в возрасте 22 лет получил степень доктора наук, а в 24 года стал ординарным профессором. Во-вторых, интересна история опыта Этвеша. Истоки этого эксперимента прослеживаются назад, по-видимому, до античных времен, а к числу первых исследователей следует отнести таких выдающихся ученых, как Галилей, Ньютон и Бессель [10]. В-третьих, речь идет о тонкостях современного эксперимента и выводах из него. Найдется мало экспериментов, которые были бы принципиально проще и в то же время труднее выполнимы и глубже по значимости.
Опыт Этвеша ставится с целью ответить на вопрос: зависит ли гравитационное ускорение тела от его природы?
Вполне вероятно, что уже один из наших древних предков, будучи пытливее большинства других, мог оказаться первым исполнителем этого опыта (в его примитивной форме), когда, сбив камнем с дерева белку, он случайно заметил, что его завтрак и камень упали на землю приблизительно одновременно. І. Опыт ётвеша и ёрйвитация
21
В своем варианте этого опыта Галилей, возможно, на самом деле и не занимался сбрасыванием деревянных и железных шаров с падающей башни в Пизе, но это едва ли существенно, так как он проводил совершенно эквивалентные опыты с катящимися шарами. Галилей был первым ученым, который четко сформулировал принцип эквивалентности,
Хотя сэр Исаак Ньютон был великим теоретиком, его вариант этого опыта отличался изяществом и к тому же так прост, что может быть выполнен в домашних условиях с помощью пустых банок и проволоки. Схема его проста: нужно подвесить две банки на длинных кусках проволоки так, чтобы они могли раскачиваться, как маятник. Затем наполнить их до краев водой и дать качаться, предварительно сделав периоды колебаний примерно одинаковыми. Заметить, через какие промежутки времени фазы колебаний совпадают. После этого вылить из одной банки воду и заменить ее подсолнечным маслом, песком или каким-нибудь другим веществом и снова определить время между совпадениями фаз. При этом с точностью до десятых долей процента оказывается, что период колебаний не зависит от содержимого банки.
Опыт, который провел сам Этвеш в 1909 г., по точности в IO5 раз превосходит опыт Ньютона [3]. Взяв статические крутильные весы, на концах плеч которых были подвешены грузы из разных веществ, Этвеш, Пекар и Фекете достигли точности 5-Ю-9. На рис. 1 приведено старинное изображение крутильных весов Этвеша.
Среди веществ, испытанных Этвешем, были такие экзотические, как асбест, тальк и змеиное дерево, хотя теперь мы знаем, что для ответа на те фундаментальные вопросы, на которые был нацелен опыт Этвеша, требуется сравнивать элементы, которые были бы существенно различны по содержанию элементарных частиц, энергии связи ядра, электростатической энергии и скорости частиц. Для этого больше всего подходят тяжелые и легкие элементы. К счастью, среди образцов, зыбранных Этвешем для своих опытов, были платина и легкие элементы.
