Общая теория относительности и гравитационные волны - Вебер Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Как в квантовой теории пет необходимости квантовать электростатическое поле точечной частицы, подчиняющееся закону обратной пропорциональности квадрату расстояния, так, по-видимому, и в случае гравитационною поля не возникало бы необходимости в его квантовании, если бы оно было чисто продольным, подчиняющимся закону обратных квадратов. Нсли, однако, существует ноле излучения в случае гравитации, то его так же необходимо квантовать, как и поле электромагнитного излучения. Таким образом, мы с двух разных сторон приходим к вопросу о том, существуют ли гравитационные волны: исходя из аналогии с электромагнетизмом, где применение релятивистских принципов ведет от статических понятий к волновым полям, и из квантовой теории, требующей квантования гравитационного поля, если существуют гравитационные волны.
Наконец, существует просто естественное любопытство. Mw имеем удовлетворительную теорию гравитационного поля — теорию Эйнштейна уже сорок лет. 13 течение этого времени Гравитационные волны 'IAl
было известно, что говорит эта теория о гравитационном поле быстро движущихся частиц, пусть даже это поле нельзя практически наблюдать в природе по причине, которая оказывается в конце концов совершенно случайной, а именно из-за отсутствия достаточно быстро ускоряющихся объектов с большой массой. Таким образом, требование единства физики вызывает интерес к проблеме существования таких волн, хотя пх экспериментального обнаружения вряд ли можно ожидать в течение еще какого-то времени.
После того как задача поставлена, кажется несколько неожиданным, что так трудно получить ответ, однако причины этого и большой мере обусловлены математической стороной дела. Уравнения общей теории относительности, за исключением простейших частных случаев, исключительно сложны и трудны для расшифровки. Более того, их структура обладает некоторой специфической физической особенностью. Вследствие об !,единения инерции и гравитации они допускают использование любой системы отсчета, а выбрать систему отсчета, ' никак не нарушая свойства гибкости пространства — времени, являющегося столь существенной особенностью теории, далеко не так просто. Использовался ряд приближенных методов, из которых по крайней мере некоторые довольно спорны. Однако в этой области за последние годы достигнут заметный прогресс и получен ряд результатов.
Во-первых, как можно генерировать гравитационные волны? Простейшая идея, которая приходит па ум, связана с распространением гравитационных изменений; она может дать формулировку вопроса. Например, если Солнце неожиданно прекратит свое существование, как скоро после этого Земля покинет свою орбиту? Однако этот вопрос не имеет смысла. В законы гравитации входит и закон сохранения материи, поэтому в рамках гравитационной теории Солнце не может исчезнуть. Далее можно задать вопрос, что произойдет, если Солнце, вместо того, чтобы исчезнуть, неожиданно сдвинется под прямым углом к плоскости земной орбиты. Сколько времени пройдет, прежде чем следствия этого обнаружат себя? Вновь вопрос лишен смысла, так как законы гравитации у тверждают и сохранение импульса, следовательно, Солнце пе может сдвинуться в сторону. Существуют, однако, гравитационные изменения, которые допустимы. Солнце могло 254
Дополнение Il Г. Боной
бы вдруг превратиться п продолговатый пли сплюснутый эллипсоид и такое изменение, несомненно, повлияло бы на земную орбиту.
Солнце могло бы разорваться па две половины, разлетающиеся в противоположных направлениях. Все это вполне мыслимые возможности, и любая теория должна, по крайней мере в принципе, ясно указывать, что в таком случае произойдет.
Оказывается, что скорость распространения гравитационной информации равна скорости света; поскольку это заложено в структуре пространства — времени, то результат ни в коей мере не является неожиданным. Повсюду в физике передача информации неразрывно связана с передачей энергии, хотя и не существует простого правила, определяющего количество энергии, которое требуется для передачи данного количества информации.
Исследуя поставленный выше вопрос, релятивист берет тело, окруженное пустым пространством, и спрашивает, как изменения формы тела повлияют на его массу. Изменения формы предполагают изменение гравитационного ноля и, таким образом, с необходимостью вызывают также распространение информации. Но наиболее удобная мера энергии тела — это его масса, т. е., грубо говоря, вопрос заключается в том, будет ли тело излучать массу при изменении своей формы.
Чтобы сформулировать этот вопрос точно, недостаточно потребовать, чтобы пространство, окружающее тело, было пустым, что в теории поля означает отсутствие не только корпускулярной материи, но и всех полей, кроме гравитационного. Однако если существуют гравитационные волны, переносящие энергию, то эти волны могут не только порождаться телом и покидать его, но также приходить извне с больших расстояний к этому телу и, таким образом, передавать ему энергию. Чтобы исключить эти приходящие волны, к требованию пустоты пространства необходимо добавить „условие исходящего излучения". Это условие тесно связано с выполнением принципа причинности, именно с тем, что эффекты изменения формы должны проявляться только после того, как изменение уже произошло. Условие исходящего излучения также исключает существование падающих волн, специально подобранных в соответствии с изменениями формы тела, которые можно рассматривать как волны, вызванные 255
