Теория тяготения и эволюция звезд - Зельдович Я.Б.
Скачать (прямая ссылка):
§ 1. Введение
Прежде чем перейти к процессам в сильных гравитационных полях, мы остановимся на некоторых принципиальных вопросах. Для связности изложения здесь иногда кратко повторяются выводы предыдущих параграфов.
ОТО является теорией тяготения; она описывает тяготение как воздействие масс на свойства пространства и времени; в свою очередь эти свойства пространства и времени влияют на движение тел и другие физические процессы. Таким образом, теория тяготения резко отличается от теории других видов взаимодействия вещества: электромагнитного, ядерных сил и других.
Электромагнитное взаимодействие является наиболее изученным. Сходство между законом Кулона и законом тяготения Ньютона производит сильнейшее впечатление, как и сходство между планетной системой и системой электронов в атоме, которое является следствием сходства законов взаимодействия.
ОТО обладает огромной внутренней красотой и стройностью; построение ОТО потребовало введения только одной константы — константы тяготения. Не раз отмечалась даже известная непропорциональность между мощью теории и малым числом наблюдаемых выводов. Не следует забывать, однако, что следствиями ОТО являются: 1)сам закон Ньютона; 2) обоснование возможности применения этого закона к взаимодействию тел, окруженных безгранично простирающейся материей; 3) нестационарное космологическое решение Фридмана, т. е. хаббловское красное смещение спектров далеких объектов.
Только во вторую очередь следует назвать три известных экспериментальных факта, подтверждающих ОТО,— смещение перигелия Меркурия, отклонение луча света, проходящего вблизи Солнца, и изменение частоты света в гравитационном поле. 86 йейзбежностЬ общей теорий относительности [гл. 2
§ 2. Единая теория поля, геометродинамика, фундаментальная масса и длина
За созданием ОТО последовали попытки аналогичным образом изложить теорию электромагнетизма, попытки геометризации электромагнитного поля и создания единой теории поля, объединяющей гравитацию и электромагнетизм. Все эти попытки не удались. Гравитационное поле обладает универсальностью действия и сообщает одинаковое ускорение любым объектам. Эта универсальность делает возможным его описание изменением того пространства — времени, в котором все эти объекты движутся. Электромагнитное поле такой универсальностью не обладает, различные тела и частицы имеют разное отношение е!т и испытывают различные ускорения. Электромагнитное поле само создает гравитационные поля, пропорциональные квадратичным величинам, составленным из напряженностей электромагнитных полей. Грубо говоря, электромагнитное поле имеет энергию, и эта энергия имеет вес, как и всякая энергия.
Оказывается, что уравнения ОТО для пространства — времени, в котором есть электромагнитные поля, с необходимостью приводят к тому, что эти поля должны подчиняться уравнениям Максвелла. Этот результат можно сопоставить с тем известным фактом, что для «обычных» материальных тел (точечных масс или твердых тел) уравнения ОТО дают не только описание гравитационного поля, но и уравнения движения этих тел, т. е. включают в себя уравнения механики Ньютона. Уравнения Максвелла являются такими же уравнениями движения электромагнитных полей.
Отметим еще один важный пример вмешательства ОТО в теорию других, негравитационных, полей: из лагранжиана поля в кривом пространстве — времени путем варьирования метрики пространства — времени можно получить выражение тензора энергии — импульса рассматриваемого поля, притом сразу в явно симметричном виде (Тш = Tfci).
Идея описания всех полей по создаваемым ими искривлениям пространства — времени получила название геометпродинамики. Наиболее последовательным ее выразителем является американский ученый У ил ер.
В последнее время привлекательность этой идеи поблекла, прежде всего в результате открытия и осознания разнообразия полей. В квантовой теории каждый сорт частиц описывается соответствующим полем: «световые» кванты — электромагнитное поле, я-, ЛГ-мезоны поля ядерных сил; то же относится и к двум сортам нейтрино и антинейтрино и т: д.
Ясно, что при таком разнообразии полей и частиц задание искривления пространства — времени недостаточно, чтобы описать все поля и частицы, заполняющие пространство. Образно выража- § з] ТЕОРИЯ ТЯГОТЕНИЯ В ПЛОСКОМ' ПРОСТРАНСТВЁ — ВРЕМЕНЙ 87
ясь, картина мира многоцветна, а гравитационное поле дает только черно-белую фотографию, по которой нельзя воспроизвести буйные цвета природы.
Принципиальные вопросы науки не решаются большинством голосов. Все же читатель должен знать, что подавляющее число физиков в настоящее время считают невыполнимой программу единой теории поля в смысле Эйнштейна, т. е. считают, что невозможно из одних уравнений ОТО получить все законы природы.
Однако, как заметил Уилер, происхождение свойств элементарных частиц и их разнообразие, возможно, связаны с разнообразием топологических свойств пространства — времени в малых масштабах. Если к величинам, входящим в ОТО (скорость света с = 3-Ю10 см-сек"1, гравитационная постоянная G = 6,67'IO""8 см3 • сект2 • г~г) добавить квантовую постоянную Планка % = 1,05 • 10~27 CM2-CenT1-B, то получается набор, из которого можно
