|
gordon0030@yandex.ru |
||||||
Архив выпусков | Участники | |||||||
Гравитация и космология |
↓№ 238↑ 02.04.2003 49:20 | ||||||
Стенограмма эфира Почему тяготение предпочитают объяснять теорией гравитации Эйнштейна? Может ли пустое пространство существовать само по себе и с чем связана инерция тел? Что сближает космические тела — сила тяготения или кривизна пространства? В чем проявляет себя гравитационная энергия и как ее определять? Что такое космический вакуум и космологическая постоянная? О том, насколько сильна антигравитация во Вселенной и чем она обусловлена, — астрофизики Александр Петров и Владимир Липунов. Участники: Петров Александр Николаевич — кандидат Липунов Владимир Михайлович — доктор Обзор темы: Законы тяготения в современной теории описываются гравитационным полем, поэтому когда мы будем говорить о гравитационном поле, то будем иметь в виду, что оно описывается общей теорий относительности (ОТО), то есть гравитационной теорией Эйнштейна, где гравитирующие массы и поля, взаимодействуя между собой, «прогибают» (искривляют) Почему ОТО? Действительно, существуют другие гравитационные теории, и не одна. Для теории гравитации, как и для других физических теорий, основной критерий истины — это эксперимент. Основные из них — это измерения а) отклонений лучей звезд в гравитационном поле Солнца, б) смещения перигелия Меркурия; в) радиолокация планет. Несмотря на то, что точность этих экспериментов из года в год возрастает, и значительно, результаты измерений остаются в бесспорном соответствии с предсказаниями ОТО. Нужно сказать, что есть и другие теории, которые с определенными ограничениями на параметры удовлетворяют экспериментам, скажем Было бы полезно вернуться к основам построения ОТО, к роли, которую придавал принципу Маха в ее обосновании Эйнштейн. Принцип Маха соотносит инерцию тел с существованием внешних масс, и кратко формулируется следующим образом: Нет инерции в пустой Вселенной! То, что и ньютонова механика, и специальная теория относительности имеют очень зыбкие основания, Эйнштейн пояснил на очень простом примере. Рассмотрим совершенно пустую Вселенную, в которой два совершенно одинаковых жидких тела вращаются вокруг общей оси так, что их центры расположены на ней. Два наблюдателя измеряют формы тел и приходят к различным результатам. Один, находясь на первом теле, говорит, что, поскольку оно покоится относительно пустого пространства (назовем его В это время у Эйнштейна возникла идея: если невозможно предложить подходящие граничные условия на бесконечности, давайте избавимся от самой бесконечности. Проблема исчезнет сама по себе. Таким образом, возникла идея статической замкнутой Вселенной. Именно тогда Эйнштейн пришел к необходимости ввести антигравитацию с помощью космологической постоянной, так называемого Де Ситтер спас эту ситуацию, заметив, что для построения статической космологии нет необходимости в «наполняющих» массах вообще. На самом деле оказалось достаточным использовать космологическую постоянную в пустом пространстве. Де Ситтер, анализируя неудачи Эйнштейна, отнес их к введению Эйнштейном, сначала удаленных масс, затем распределенных. Как раз к их наличию соотносился и принцип Маха. С построением статической пустой Вселенной создалось впечатление, что роль принципа Маха принижается. Действительно, в пустом пространстве есть геометрия лишь с космологической постоянной и без материи. Позднее Фридман нашел решения, где Таким образом, мы показали, что обоснования в пользу геометрической теории гравитации имеют серьезные именно физические аргументы, и весьма драматическую историю. Теперь, сравним описание других «обычных» (отличных от гравитационного) полей, таких как электромагнитное, или любых других с гравитационным. Эксперименты с участием обычных полей успешно проводятся на Земле, в лабораторных условиях. В этом случае влияние гравитационного поля, точнее сказать проявлений эффектов ОТО, на эксперимент совершенно незначительно. Таким образом нет необходимости учитывать их взаимодействие с гравитацией, и их теория (или теории) разрабатывается в «плоском» (неискривленном) В ОТО ситуация отлична. С одной стороны, там есть тоже арена, на которой разворачиваются взаимодействия — это До построения ОТО и вплоть до настоящего времени, имея ввиду преимущества наличия пространства Минковского, всегда было привлекательно построить гравитационную теорию точно так же как все остальные полевые теории, то есть в виде некоторого поля распространяющегося в пространстве Минковского. Сам Эйнштейн пытался строить такие теории. Однако последовательное построение, где соблюдаются требования удовлетворить наблюдениям и создать логически непротиворечивую теорию с минимальным набором требований (даже без апелляции к физическим аргументам изложенным выше) неизбежно приводят к ОТО. Кажется, что мы пришли к противоречию: начинаем построения, где есть пространство Минковского, а приходим к ОТО, где его нет. Это так, но в этом нет противоречия. Физическое наличие пространства Минковского можно установить только с помощью физических же измерений. Так, в обычной электродинамике в лабораторных условиях, лучи света будут распространяться по прямым и везде со стандартной скоростью света c. Это и будет определять пространство Минковского. Если же мы построим теорию гравитационного поля в пространстве Минковского, то в такой теории лучи света будут отклоняться этим полем — станут кривыми. Если измерить скорость света относительно исходного пространства Минковского, то окажется, что она уже не c! Таким образом, пространство Минковского перестает быть наблюдаемым с помощью света, или Итак, поскольку в ОТО нет той «решетки» — пространства Минковского (а более правильно говоря, нет фиксированного 1. Прежде всего, одно из предсказаний ОТО — это существование гравитационных волн, которые, как и всякие другие волны должны переносить энергию, обладать энергией. В самом ближайшем будущем планируется их детектирование. 2. Теперь давайте рассмотрим двойную систему, то есть систему двух звезд, вращающихся вокруг общего центра тяжести, и связанных гравитационным притяжением. Чтобы «разорвать» ее — разнести звезды на расстояние, где их взаимодействием можно пренебречь — нужно привнести извне достаточное количество энергии. Ситуацию можно интерпретировать так, что отрицательная энергия связи гравитационного поля компенсируется положительной внешней энергией. 3. Такая интерпретация подтверждается и длительными наблюдениями за некоторыми двойными пульсарами, орбиты которых со временем сближаются. Это объясняется тем, что гравитационные волны, которые всегда излучаются двойной системой, уносят положительную энергию, тем самым увеличивают отрицательную (в абсолютном смысле) энергию связи. С другой стороны, наблюдения за двойными пульсарами косвенным образом подтверждают существование гравитационных волн. 4. Предельный случай, где «участвует» отрицательная энергия связи гравитационного поля — это замкнутая Вселенная. Полная энергия такой модели оказывается нулевой. Дело в том, что вся положительная энергия гравитирующей материи в такой Вселенной компенсируется отрицательной энергией связи. Однако, существуют особые отличительные свойства энергии гравитационного поля — она проявляет себя только в «глобальных» эффектах. В отличие от энергии всей остальной «обычной» материи энергия гравитационного поля не локализуется. Это означает, что нельзя однозначно в каждой точке определить плотность гравитационной энергии. Физическая причина этого в основах ОТО, один из постулатов которой — принцип эквивалентности, который заключается в следующем: Свободно падающий в гравитационном поле наблюдатель не почувствует никакого гравитационного поля, если его размеры малы в сравнении с характерной длиной изменения гравитационного поля. Это означает как раз, что для такого наблюдателя плотность энергии гравитационного поля равна нулю. Или, если вначале она была Но тогда, поскольку действительно существуют неоспоримые аргументы в пользу существования гравитационной энергии (и других главных характеристик системы), возникает вопрос, а как развивать представления о них? Как мы только, что сказали, выбор «решетки» может решить проблему локализации. Так вот, оказывается, что во многих конкретных задачах, где используется ОТО, этот выбор решетки не настолько уж неопределен. Часто этот выбор диктуется самим характером задач. Таким образом, как мы уже упоминали, Вернемся к вопросу определения энергии в ОТО. В каких еще случаях пространство Минковского могло бы играть роль фона в ОТО? Представим, что существует некая одиночная звезда (островная система) и больше ничего. Ясно, что чем дальше мы удаляемся от звезды, тем меньше этот гравитирующий центр «прогибает» Подведем некоторый итог. Мы пришли к выводу, что в ОТО отличается принципиально от других физических теорий, и определить энергию и другие сохраняющиеся величины нельзя обычным способом. Тем не менее, можно сказать во всех приложениях, или в подавляющем большинстве приложений это сделать можно, поскольку в самих задачах естественным образом (можно установить с помощью наблюдений) определяется фоновое Такой подход был разработан. Назовем его полевой формулировкой ОТО. Особенно нужно подчеркнуть, что это все та же самая теория Эйнштейна, только в отличной форме. По физическому смыслу, по предсказаниям результатов экспериментов полевая формулировка не отличается от ОТО в обычной (геометрической) формулировке. Однако техника полевого подхода к ОТО позволяет более просто решать многие задачи, более естественно интерпретировать решения. Итак, для полевого описания выбирается либо плоский фон, либо искривленный — такой, какой необходим для определенной задачи. Фактически ограничений в выборе фона нет. Относительно него конструируются полевые уравнения, энергия, и другие сохраняющиеся величины. Причем уравнения полевого подхода дают ясный ответ: как изменится определение, скажем энергии, при переходе от одного фона к другому. Такой подход дает возможность описывать возмущения с какой угодно точностью, а не только в низшем линейном приближении. Это становится особенно важным, поскольку необходимость учитывать в космологических расчетах не только линейные возмущения, но и квадратичные (самодействующие) поправки становится все более очевидной. Одним из интересных приложений полевой формулировки является описание уже упомянутой замкнутой Вселенной. Геометрически такая Вселенная представляется так называемой Полевой подход оказался также очень полезным для исследования тонких, с учетом квадратичных поправок, эффектов в моделях с асимптотически плоским Теперь вернемся к так называемой проблеме космологической постоянной. С открытием расширения Вселенной необходимость ее использования как бы исчезла на время, но проблема осталась. Джина выпустили из бутылки. Уравнения Эйнштейна могут быть записаны как с этой постоянной, так и без нее. Однако, квантовая теория предсказывает, что вакуум должен обладать своей собственной энергией. Это стало совершенно ясно после известной работы Глинера, в которой в пустом пространстве энергия вакуума проявляет себя как эффективный тензор С другой стороны, до недавнего времени считалось, это следовало из наблюдений, что космологическая постоянная в нашей Вселенной с очень высокой степенью точности равна нулю. В этом случае, расширение Вселенной должно происходить с замедлением, по простой причине, что взаимное притяжение материи во Вселенной должно тормозить расширение. Итак, проблемой было объяснить: почему космологическая постоянная с очень высокой степенью точности исчезает? Какие механизмы и почему так точно компенсируют энергию вакуума? Совсем недавние надежные наблюдения показали, что Вселенная расширяется с ускорением!!! Таким образом, эффективная космологическая постоянная Теперь интересно в свете новых наблюдательных результатов пересмотреть отношение к принципу Маха, который должен быть связан с однородной вакуумной энергией, то есть с космологической постоянной. Его можно было бы переформулировать как: Массы фундаментальных частиц количественно обусловлены космологической постоянной. Если она равна нулю, то и массы фундаментальных частиц также равны нулю. Такое определение может оказаться слишком смелым, действительно: 1) Вакуумное состояние должно быть 2) Современная квантовая теория предсказывает энергию вакуума Тем не менее эти утверждения нельзя считать такими уж решающими, поскольку данные могут измениться. Итак, в соответствии с принципом Маха в новой формулировке космологический член теоретически не может быть равен нулю. Можно предположить, что массы фундаментальных частиц распределены как четные степени Подобраться к проблеме космологической постоянной пытаются и с помощью изменения гравитационной теории. В оригинальной формулировке теории Эйнштейна космологическая постоянная, как говорилось, задается руками, то есть определяется и все. Сразу возникает вопрос: почему? Однако существуют минимальные изменения ОТО, где, можно сказать, не изменяются сами уравнения, а изменяются условия, при которых они могут решаться (условия интегрирования). Таким образом, в одной из таких «переформулировок» ОТО космологическая постоянная появляется только после решения (интегрирования) уравнений, как постоянная этого интегрирования. Поэтому вопрос о том, почему космологическая постоянная именно такая, какая есть, заменяется вопросом как бы следующей ступеньки исследования: почему начальные условия интегрирования такие, а не иные. Как видно в этом вопросе уже присутствует больший физический смысл. Так вот, чтобы построить такую модифицированную ОТО и сохранить необходимый ковариантный (независимый от изменения координат) вид, на исходном этапе ее построения необходимо использовать вспомогательное фоновое Если же вернуться к определению энергии в ОТО, то полевой подход является далеко не единственным методом, который стремился бы к непротиворечивой и полезной в приложениях формулировке. Такие подходы даже сложно перечислить, однако, большинство из них, несмотря на существенные различия в математической технике, сводятся к определению так называемых квазилокальных величин. Построение квазилокальных величин и изучение их свойств одно из самых популярных и активно развивающихся направлений в последние десять лет. В полевом подходе квазилокальная энергия и другие квазилокальные величины возникают также естественно. Необходимость изучать именно квазилокальные величины не случайна, а следует из уже упомянутого свойства, что гравитационная энергия проявляет себя скорее в глобальных эффектах, чем может быть определена локально. Таким образом, квазилокальная энергия — это энергия всей материи и всех полей, включая гравитационное, заключенных скажем внутри некой сферы (замкнутой поверхности) — то есть это энергия всего такого шара. Замечательно то, что для определения квазилокальной энергии достаточно знать значения потенциалов гравитационного поля только на поверхности сферы. Однако, аналогично методу полевого подхода, если в окрестности сферы не ввести фоновое Библиография Боулер М. Теория относительности. М., 1979 Глинер Е. Б. Алгебраические свойства тензора Зельдович Я. Б., Грищук Л. П. Тяготение, общая теория относительности и альтернативные теории: Методические заметки//Успехи физических наук. 1986. Т. 149 Липунов В. М. Принцип Маха и энергия космического вакуума//Русский переплет. 2002 Мизнер Ч., Торн К., Уиллер Дж. Гравитация. М., 1977 Фридман А. А. О возможности мира с постоянной отрицательной кривизной пространства//Успехи Физ. Наук. 1963. Т. 80 Чернин А. Д. Космический вакуум//Успехи физ. наук. 2001. Т. 171 Эйнштейн А. Основы общей теории относительности; Вопросы космологии и общая теория относительности/А. Эйнштейн. Собр. науч. трудов. М., 1965. Т. 1. Brown J. D., York J. W. Quasilocal energy and conserved charges derived from the gravitational action//Phys. Rev. D. 1993. V. 47 Grishchuk L. P., Petrov A. N., Popova A. D. The exact theory of the (Einstein) gravitational field in an arbitrary background Petrov A. N., Katz J. Conserved currents, superpotentials and cosmological perturbations//Proc. R. Soc. London A. 2002. V. 458 Sitter W. On Einstein Theory of Gravitation and its Astronomical Consequences//Monthly Notices Roy. Astr. Soc. 1917. V. 78 Тема № 238 Эфир 02.04.2003 Хронометраж 49:20 |
|||||||