Общая теория относительности Альберта Эйнштейна

3. Частота света в результате  действия поля тяготения должна изменяться. В результате этого эффекта линии солнечного спектра под действием гравитационного поля Солнца должны смещаться в сторону красного света, по сравнению со спектрами соответствующих земных источников. Этот эффект, по мнению Эйнштейна, также может быть обнаружен экспериментально. Все это было принципиально ново, и для утверждения ОТО нужна была ее экспериментальная проверка.

  2.4 Принцип эквивалентности  и геометризация  тяготения

  Факт  этот по существу был установлен еще  Галилеем. Он хорошо известен каждому  успевающему старшекласснику: все  тела движутся в поле тяжести (в отсутствие сопротивления среды) с одним  и тем же ускорением, траектории всех тел с заданной скоростью искривлены в гравитационном поле одинаково. Благодаря этому, в свободно падающем лифте никакой эксперимент не может обнаружить гравитационное поле. Иными словами, в системе отсчёта, свободно движущейся в гравитационном поле, в малой области пространства-времени гравитации нет. Последнее утверждение — это одна из формулировок принципа эквивалентности.

  Данное  свойство поля тяготения отнюдь не тривиально. Достаточно вспомнить, что  в случае электромагнитного поля ситуация совершенно иная. Существуют, например, подзаряженные, нейтральные тела, которые электромагнитного поля вообще не чувствуют. Так вот, гравитационно- нейтральных тел нет, не существует ни линеек, ни часов, которые не чувствовали бы гравитационного поля. Эталоны привычного евклидова пространства меняются в поле тяготения.            

   Геометрия нашего пространства оказывается неевклидовой.

  Некоторое представление о свойствах такого пространства можно получить на простейшем примере сферы, поверхности обычного глобуса. Рассмотрим на ней сферический треугольник — фигуру, ограниченную дугами большого радиуса. (Дуга большого радиуса, соединяющая две точки на сфере, — это кратчайшее расстояние между ними: она естественный аналог прямой на плоскости.) Выберем в качестве этих дуг участки меридианов, отличающихся на 90^o долготы, и экватора (рис. 1). Сумма углов этого сферического треугольника отнюдь не равна сумме углов π,треугольника на плоскости:

  Заметим, что превышение суммы углов данного  треугольника над может быть выражено через его площадь S и радиус сферы R:

  Можно доказать, что это соотношение  справедливо для любого сферического треугольника. Заметим также, что обычный случай треугольника на плоскости тоже вытекает из этого равенства: плоскость может рассматриваться как сфера с   R→∞

   Перепишем формулу (2) иначе:  

   Отсюда видно, что радиус сферы  можно определить, оставаясь на ней, не обращаясь к трехмерному пространству, в которое она погружена. Для  этого достаточно измерить площадь  сферического треугольника и сумму  его углов. Иными словами, K (или R) является внутренней характеристикой сферы. Величину K принято называть гауссовой кривизной, она естественным образом обобщается на произвольную гладкую поверхность:

  Здесь углы и площадь относятся к  малому треугольнику на поверхности, ограниченному линиями кратчайших расстояний на ней, а кривизна, вообще говоря, меняется от точки к точке, является величиной локальной. И в общем случае, так же как и для сферы, K служит внутренней характеристикой поверхности, не зависящей от ее погружения в трехмерное пространство. Гауссова кривизна не меняется при изгибании поверхности без ее разрыва и растяжения. Так, например, конус или цилиндр можно разогнуть в плоскость, и поэтому для них, так же как для плоскости, K = 0.

  На  соотношения (3), (4) полезно взглянуть несколько иначе. Вернемся к рисунку 1. Возьмем на полюсе вектор, направленный вдоль одного из меридианов, и перенесем его вдоль этого меридиана, не меняя угла между ними (в данном случае нулевого), на экватор. Далее, перенесем его вдоль экватора, снова не меняя угла между ними (на сей раз π/2), на второй меридиан. И наконец, таким же образом вернемся вдоль второго меридиана на полюс. Легко видеть, что, в отличие от такого же переноса по замкнутому контуру на плоскости, вектор окажется, в конечном счете, повернутым относительно своего исходного направления на π/2, или на

  Этот  результат, поворот вектора при  его переносе вдоль замкнутого контура  на угол, пропорциональный охваченной площади, естественным образом обобщается не только на произвольную двумерную поверхность, но и на многомерные неевклидовы пространства. Однако в общем случае n-мерного пространства кривизна не сводится к одной скалярной величине K(x). Это более сложный геометрический объект, имеющий n²(n² - 1)/12 компонентов. Его называют тензором кривизны, или тензором Римана, а сами эти пространства — римановыми. В четырехмерном римановом пространстве-времени общей теории относительности тензор кривизны имеет 20 компонентов.

  2.5 Классические опыты по проверке общей теории относительности

  В начале предыдущего раздела уже  отмечалось, что гравитационное поле влияет на движение не только массивных тел, но и света. В частности, фотон, распространяясь в поле Земли вверх, совершает работу против силы тяжести и поэтому теряет энергию. Как известно, энергия фотона пропорциональна его частоте, которая, естественно, тоже падает. Этот эффект — красное смещение — был предсказан Эйнштейном еще в 1907 году. Нетрудно оценить его величину. Работа против силы тяжести, очевидно, пропорциональна gh, где g — ускорение свободного падения, а h — высота подъема. Произведение gh имеет размерность квадрата скорости. Поэтому результат для относительного смещения частоты выглядит из соображений размерности так:

  где c = 3 ^. 10¹⁰ см/с — скорость света. При g≈10³ см/с², h~10³ см относительное смещение ничтожно мало ~10^-15. Неудивительно, что экспериментально красное смещение удалось наблюдать лишь спустя полвека, с появлением техники, использующей эффект Мёссбауэра. Это сделали Паунд и Ребка.

   Еще один эффект, предсказанный Эйнштейном на заре ОТО — отклонение луча света в поле Солнца. Его величину нетрудно оценить следующим образом. Если характерное, прицельное, расстояние луча от Солнца равно ρ , то радиальное ускорение составляет  GM/ρ² где G — ньютоновская гравитационная постоянная, а M — масса Солнца. За характерное время пролета  ρ/cрадиальная компонента скорости фотона изменится на  GM/(ρc)  и угол отклонения составит соответственно

  Удобно ввести часто используемую в общей теории относительности характеристику массивного тела, так называемый гравитационный радиус:

   Наивное использование полуклассических соображений действительно приводит к ответу

   Именно этот результат был получен  Эйнштейном в одном из первоначальных вариантов ОТО. Первая мировая война воспрепятствовала проверке, неблагоприятной для теории. Окончательный, правильный результат ОТО вдвое больше:

  Гравитационный  радиус Солнца r_g≈3 км, а прицельный параметр естественно сделать как можно ближе к обычному радиусу Солнца, который составляет 7 ^. 10⁵км. Таким образом, для луча света, проходящего вблизи поверхности Солнца, угол отклонения равен 1,75". Измерения, проведенные группой Эддингтона во время солнечного затмения 1919 года, подтвердили последнее предсказание. Это был подлинный триумф молодой общей теории относительности.

  И, наконец, к числу классических тестов ОТО относится также вращение перигелия орбиты Меркурия. Замкнутые  эллиптические орбиты — это специфика нерелятивистского движения в притягивающем потенциале 1/r. Неудивительно, что в ОТО орбиты планет незамкнуты. Малый эффект такого рода удобно описывать как вращение перигелия эллиптической орбиты. Задолго до появления ОТО астрономы знали, что перигелий орбиты Меркурия поворачивается за столетие примерно на 6000" . Поворот этот в основном объяснялся гравитационными возмущениями движения Меркурия со стороны других планет Солнечной системы. Оставался, однако, неустранимый остаток — около 40" в столетие. В 1915 году Эйнштейн объяснил это расхождение в рамках ОТО.

   Из простых соображений размерности  можно ожидать, что поворот перигелия  за один оборот составляет

  где R — радиус орбиты. Аккуратный расчет в рамках ОТО для орбиты, близкой к круговой, дает

  При радиусе орбиты Меркурия R≈0.6^.10⁸ км это дает 43" в столетие, снимая таким образом существовавшее расхождение. Ясно, кстати, чем выделяется в этом отношении Меркурий: это планета, ближайшая к Солнцу, планета с наименьшим радиусом орбиты R. Поэтому вращение перигелия орбиты у нее максимально. Общая теория относительности произвела переворот в космологии. На основе   ее появились различные модели Вселенной.

     3. Черные дыры 

  Однако  роль ОТО отнюдь не сводится к исследованию малых поправок к обычной ньютоновской гравитации. Существуют объекты, в которых  эффекты ОТО играют ключевую роль. Это так называемые черные дыры.

   Еще в XVIII веке Митчел и Лаплас независимо заметили, что могут существовать звезды, обладающие совершенно необычным свойством: свет не может покинуть их поверхность. Рассуждение выглядело примерно так. Тело, обладающее радиальной скоростью v, может покинуть поверхность звезды радиусом R и массой M при условии, что кинетическая энергия этого тела mv²/2 превышает энергию притяжения GMm/R,т.е. при v² > 2GM/R. Применение последнего неравенства к свету (как мы теперь понимаем, совершенно не обоснованное) приводит к выводу: если радиус звезды меньше чем

  то  свет не может покинуть ее поверхность, такая звезда не светит! Последовательное применение ОТО приводит к такому же выводу. Величина r_g, гравитационный радиус, уже встречалась раньше (см. формулу (7)).

  Черная  дыра — вполне естественное название для такого объекта. Свойства его весьма необычны. Черная дыра возникает, когда звезда сжимается настолько сильно, что усиливающееся гравитационное поле не выпускает во внешнее пространство ничего, даже свет. Поэтому из черной дыры не выходит никакая информация.

  Занятно выглядит падение пробного тела на черную дыру. По часам бесконечно удаленного наблюдателя это тело достигает  гравитационного радиуса лишь за бесконечное время. С другой стороны, по часам, установленным на самом  пробном теле, время этого путешествия вполне конечно.

  Многочисленные  результаты астрономических наблюдений дают серьезные основания полагать, что черные дыры — это не просто игра ума физиков-теоретиков, а реальные объекты, существующие, по крайней мере, в ядрах галактик.

     4. Пульсар PSR 1913+16 и гравитационные волны

  Нобелевская премия по физике за 1993 год была присуждена Халсу и Тейлору за исследование пульсара PSR 1913+16 (буквы PSR означают пульсар, а цифры относятся к координатам  на небесной сфере: прямое восхождение 19^h13^h, склонение +16^o). Исследование свойств излучения этого пульсара показало, что он является компонентом двойной звезды. Иными словами, у него есть компаньон, и обе звезды вращаются вокруг общего центра масс. Расстояние между этим пульсаром и его компаньоном составляет всего 1,8 ^. 10⁶км. Если бы невидимый компаньон был обычной звездой с характерным радиусом ~10⁶ км, то наблюдались бы, очевидно, затмения пульсара. Однако ничего подобного не происходит. Подробный анализ наблюдений показал, что невидимый компонент — это не что иное, как нейтронная звезда.

  Существование нейтронных звезд было предсказано  теоретически еще в 30-е годы. Они  образуются в результате бурного  гравитационного сжатия массивных  звезд, сопровождающегося взрывом  сверхновых. После взрыва давление в оставшемся ядре массивной звезды продолжает нарастать, электроны с протонами сливаются (с испусканием нейтрино) в нейтроны. Образуется очень плотная звезда с массой, несколько большей массы Солнца, но очень малого размера, порядка 10 — 15км, не превышающего размер астероида. Несомненно, наблюдение нейтронных звезд уже само по себе является выдающимся открытием.

  Кроме того, тщательное исследование движения этой двойной звезды дало новое подтверждение  предсказания ОТО, касающегося незамкнутости эллиптических орбит. Поскольку гравитационные поля в данной системе очень велики, периастр орбиты вращается несравненно быстрее, чем перигелий орбиты Меркурия, он поворачивается на 4,2^o в год. Изучение этого и других эффектов позволило также определить с высокой точностью массы пульсара и нейтронной звезды. Они равны, соответственно, 1,442 и 1,386 массы Солнца. Но и это далеко не все.

  Еще в 1918 году Эйнштейн предсказал на основе ОТО существование гравитационного  излучения. Хорошо известно, что электрически заряженные частицы, будучи ускоренными, излучают электромагнитные волны. Аналогично, массивные тела, двигаясь с ускорением, излучают гравитационные волны — рябь геометрии пространства, распространяющуюся тоже со скоростью света.