Экспериментальная проверка ото.

Первый успех ОТО, который стал фундаментом для выявления новых и объяснения известных общих свойств и закономерностей Вселенной, заключался в объяснении открытой еще в 1859 г. (и непонятной точке зрения классической теории) дополнительной скорости движения перигелия Меркурия (около 43″ в столетие) под влиянием гравитационного поля Солнца. Прецессия орбиты Меркурия обусловлена искривлением пространства, вызванного гравитационным воздействием Солнца.

В соответствии с ОТО в результате действия поля тяготения движение материальной точки, также как и распространение светового луча, уже не является равномерным и прямолинейным. Распространение выводов ОТО на оптические явления приводит к ряду необычных следствий – явлению красного смещения спектров звезд и отклонению светового луча под действием этого поля.

Так в ОТО был получен новый фундаментальный результат: скорость света уже не является постоянной величиной, она изменяется, когда свет проходит поле тяготения, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от взаимного направления распространения света и направления сил тяготения. Отсюда, в частности, следует, что луч света, проходя мимо тела, обладающего сильным полем тяготения должен искривляться, если его направление не совпадает с направлением силы тяготения. Этот эффект может быть обнаружен при наблюдении солнечного затмения. Если сравнить положение группы звезд, находящихся на небесной сфере в близи Солнца, во время его затмения, с положением этой же группы звезд ночью, то, согласно ОТО, в первом случае световые лучи от этих звезд, проходя около поверхности Солнца, должны искривляться в его гравитационном поле, следовательно, будут наблюдаться смещенными относительно их обычного положения на небесной сфере.

Большое значение для широкого признания ОТО имели опыты по измерению отклонения лучей света, проходящих около Солнца. Первая немецкая экспедиция по проверке данного эффекта была направлена уже в 1914 г. на территорию России, но в связи с началом первой мировой войны была интернирована. Затмение 29 мая 1919 г. представляла собой особенно благоприятный случай, когда в поле наблюдений оказывалось большое число ярких звезд, и потому в Великобритании были сформированы две экспедиции: одна направилась в Бразилию, а другая на один из островов, расположенных возле африканского материка. Результаты экспедиции оставляют мало сомнения в том, что луч света отклоняется в близи Солнца и что отклонение, если приписать его действию гравитационного поля Солнца, по величине соответствует требованиям ОТО Эйнштейна.

Другой результат, полученный в теории Эйнштейна, – наличия красного смещения в спектрах небесных тел – был подтвержден рядом опытов 1923–1926 гг. при наблюдении спектра Солнца и обладающего чрезвычайно большим полем тяготения спутника Сириуса.

Долгое время экспериментальных подтверждений ОТО было мало: изменения орбиты Меркурия, красное смещение в спектрах звезд, искривление лучей света в близи Солнца обусловленное кривизной пространства. Согласие теории с опытом достаточно хорошее, но чистота экспериментов нарушается различными сложными побочными влияниями. Однако влияние искривления пространства – времени можно обнаружить даже в умеренных гравитационных полях. Очень чувствительные часы, например, могут обнаружить замедление времени на поверхности земли. Чтобы расширить экспериментальную базу ОТО, во второй половине 20-го в были поставлены новые эксперименты: проверялась эквивалентность инертной и гравитационной масс (в том числе и путем лазерной локации Луны): с помощью радиолокации уточнялось движение перигелия Меркурия, измерялось гравитационное отклонение радиоволн Солнцем, проводилась радиолокация планет Солнечной Системе; оценивалось влияние гравитационного поля солнца на радиосвязь с космическими кораблями, которые отправлялись к дальним планетам солнечной системе. Все они так или иначе подтвердили предсказания, полученные на основе ОТО.

В физике XX в. ОТО сыграло особую и своеобразную роль.

Во-первых, она представляет собой теорию тяготения, хотя, возможно, и не вполне завершена и не лишена некоторых недостатков. Трудность состоит в том, что гравитация – это вид энергии и поэтому она сама является собственным источником энергии; гравитация как физическое поле сама обладает (как, например, и электромагнетизм) энергией и импульсом, а значит, и массой. Следовательно, уравнения теории не линейны, т.е. нельзя просто сложить известные решения для простых систем, чтобы получилось полное решение для сложной системы. С этим связаны, например, трудности в интерпретации содержания тензора энергии – импульса. Математических аппарат теории настолько сложен, что почти все задачи, кроме самих простейших, оказываются неразрешимыми. Из-за таких трудностей ученые до сих пор – спустя 80 лет после того, как ОТО была сформулирована, – все еще пытаются разобраться в ее смысле.

Вполне закономерно, что физики продолжали попытки создания альтернативных теорий тяготения. Их создано уже более 20-ти, однако все эти теории не предсказывают новых экспериментов и потому их эвристическое значение практически равно нулю.

Во-вторых на основе ОТО были развиты два фундаментальных направления современной физики: геометризированные единицы теории поля; релятивистская космология. Здесь сложились две противоположные точки зрения о физике:

1) поля и частицы непосредственно не определяют характер пространственно - временного континуума. Он сам служит лишь ареной их проявления. Поля и частицы чужды геометрии мира и их надо добавить к геометрии, чтобы вообще можно было говорить о какой-либо физике;

2) в мире нет ничего, кроме пустого искривленного пространства. Материя, заряд, электромагнетизм и другие поля являются лишь проявлением искривленного пространства. Физика есть геометрия. ОТО оказалась переходной теорией между первым и вторым подходами. В ОТО представлен смешанный тип описания реальности: гравитация в ней геометризирована, а частицы и поля, отличные от гравитации, добавляются к геометрии.

Многие ученые (в том числе и сам Эйнштейн) предпринимали попытки объединить электромагнитные и гравитационное поле в рамках достаточно общего геометрического формализма на базе ОТО. С открытием разнообразных элементарных частиц и соответствующих им полей естественно встала проблема включения и их в рамки подобной единой теории. Это положило начало длительному процессу поисков геометризированной единой теории поля, которая, по замыслу, должна реализовать второй подход – сведение физики к геометрии, создание геометродинамики.

Контрольные вопросы

Какой был первый успех ОТО в объяснении известных общих свойств и закономерностей Вселенной?

Какие новые фундаментальные результаты были получены в ОТО?

Какую роль в физике ХХ века сыграла ОТО?