Нобелевские лауреаты по физике о скорости гравитации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нобелевские лауреаты по физике о скорости гравитации

В работе обсуждаются пост Эйнштейновские результаты исследований эффектов гравитационных взаимодействий, в частности, при солнечных затмениях. Показано, что открытие чёрных дыр подтверждает справедливость расчётов Лапласа о значительном превышении скорости гравитационных взаимодействий скорости света.

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал знаменитую работу «К электродинамике движущихся сред», впоследствии названную специальной теорией относительности [1]. В ней утверждалось, что невозможно никакое движение быстрее света. Этот постулат относился и к гравитационным взаимодействиям. После Эйнштейна при исследовании хода гравитации при полном Солнечном затмении появились данные, что «гравитационная тень» от Луны обгоняет ход затмения [2]. Всё наше понимание процессов, происходящих во Вселенной, представления о ее структуре сложились на основе изучения электромагнитного излучения, другими словами - фотонов, доходящих до наших приборов из глубин космоса. Однако фотонные наблюдения имеют свои ограничения: из очень далёких областей космоса электромагнитные волны даже самых высоких энергий до нас не доходят. Но о том, чего никогда не увидят приборы, регистрирующие электромагнитное излучение (черных дырах, тёмной материи), могут рассказать гравитационные волны. Чтобы их «увидеть», нужна принципиально новая техника [3].

Оценить скорость гравитации предпринял ещё в 1797 году французский ученый Пьер-Симон Лаплас [4]. Проанализировав результаты наблюдений за вековыми изменениями ускорения Луны (которое было постоянным, насколько это определялось точностью тогдашних методов и приборов), он получил нижнее пороговое значение скорости гравитации не менее чем в 50 миллионов раз большее, чем уже измеренная скорость света. Поэтому, не опасаясь какой-либо заметной погрешности, можно считать передачу силового действия тяготения мгновенным, что и принято при расчётах траекторий космических аппаратов. Лаплас также высказал гипотезу о существовании невидимых звёзд, так называемых черных дыр, для которых вторая космическая скорость (для так называемого горизонта событий) равняется скорости света (в расчётах используется с = 3х108 м/сек). Это значит, что фотонная граница звезды для наблюдателя становится невидимой. Но обнаружить черные дыры возможно по их гравитационному воздействию на космические объекты. Космическая пыль, например, захватывается полем притяжения и разгоняется до громадных скоростей, это можно видеть по её свечению, пока она не исчезает для наблюдений внутри горизонта событий.

Подтверждения гипотезы Лапласа ждали почти два столетия, пока в 1964 году во время суборбитального полёта не был обнаружен источник рентгеновского излучения, связанный с яркой звездой переменной светимости, находящейся за 6500 световых лет от Земли, в созвездии Лебедя, и по массе в 20 раз превосходящей Солнце.

Дальнейшие исследования показали, что источником рентгеновского излучения являлась не эта звезда с периодом изменения светимости 5,6 суток, а космическая пыль, сносимая на соседнюю, невидимую звезду (эффект аккреции). Звезда эта называется Лебедь X-1, «весит» в 16,8 раза больше Солнца и, по мнению астрофизика Стивена Хокинга [5], слишком компактна, чтобы быть чем-либо кроме чёрной дыры. Радиус горизонта событий составляет 26 километров. К настоящему времени открыто более пятидесяти черных дыр. Это подтверждает объективность расчётов Лапласа для скорости гравитации. Из современных авторитетов Томас Ван Фландерн по разработанной Лапласом методике, но с использованием последних данных, вычислил скорость гравитации, которая как минимум на 1010 больше скорости света [6]. За это Фландерн в своей научной среде был предан анафеме.

Итак, в настоящее время существуют, по меньшей мере, две противоречивых модели тяготения. Это, с одной стороны, статическая модель Ньютона для точечных масс, где скорость гравитационного взаимодействия ничем не ограничивается. С другой стороны - уточняющая модель Пуанкаре и постулат Эйнштейна, согласно которым скорость любого взаимодействия, в том числе и гравитационного, должна быть меньше или равна скорости света в вакууме. В академических кругах это противоречие предпочитали «не замечать». Другие гипотетические модели гравитации и теоретические оценки её скорости пока не получили необходимого подтверждения из-за сложности организации, проведения и обработки результатов астрофизических измерений. В связи с открытием аномального эффекта изменения гравитации при солнечном затмении, которое сделал ещё в 1954 году Морис Алле [7], появилась возможность проводить наблюдения в земных условиях и определять скорость гравитационного взаимодействия по времени запаздывания между затмением и «гравитационной тенью» от Луны (см. рис. 1).

Напомним, что напряжённость гравитации на поверхности Земли численно и по размерности равна ускорению свободного падения. Эффект гравитационного воздействия можно определить по изменению веса пробного тела известной массы. В геодезии широко применяется струнный гравиметр с закреплённой на струне пробной массой, изменение веса которой приводит к изменению частоты звучания струны [8]. Общая схема устройства струнного гравиметра представлена на рис. 2.

Рис. 1. Наблюдаемый эффект аномальной гравитации. Париж, 30-го июня 1954 года. Гравитационный маятник. А - начало затмения, В - максимальная фаза, С - завершение затмения.

гравитационный скорость электродинамика

Рис. 2. Общая схема устройства струнного гравиметра.

Груз 1 подвешен на струне 2, проходящей между полюсами постоянного магнита 3, поэтому колебания струны приводятся к возникновению в ней переменного тока. Чтобы ток не затухал, струна включена в контур с положительной обратной связью, образуя струнный генератор. Частота струнного генератора умножается и сравнивается с частотой эталонного генератора. Для устранения продольных колебаний струны применяется электромагнитное демпфирование при помощи постоянных магнитов 4. Изменение гравитации, связанное с движением Луны и Солнца относительно Земли, исчисляется долями процента. Однако в масштабах Земли это приводит к многометровым приливам в морях и океанах.

Согласно экспериментальным данным Томаса Ван Фландерна [9], временная разница между максимумом видимого затмения и центром гравитационных изменений составила 38+1,9 секунды. Это позволяет утверждать, что скорость распространения гравитационного возмущения в 20 раз превышает скорость света. Минимум ограничивается разрешающей способностью или точностью гравиметрических измерений.

На рис. 1 показано изменение гравитации во время полного солнечного затмения. Обозначения: А - начало затмения (11:21 U.T.), В - максимальная фаза (12:40 U.T.), С - завершение затмения (13:56 U.T.) [7]. Луч Солнца, как известно, проходит расстояние до Земли за 500 секунд. А лазерный луч расстояние до Луны преодолевает за ~1,25 секунд. Резкое увеличение гравитации (возможно - «рефракция»!) происходит в начале затмения с точностью до временного разрешения, которое, как видно по развёртке для гравитационной зависимости, составляет не менее 10 секунд. Максимум гравитационного пятна здесь находится в конце ската за центральным пунктиром, смещение относительно В - 450 секунд. Абсолютное положение проекции Солнца находится впереди от В на интервале 500 секунд. На этот момент абсолютного времени рассчитывается минимально возможная скорость гравитации - она в 50 раз превышает световую! Качественно это соответствует экспериментальным данным Томаса Ван Фландерна. Возможный максимум скорости здесь не определяется из-за большой погрешности для разрешения по времени.

Пока не удалось найти необходимых данных по последним наблюдениям хода гравитации при полных солнечных затмениях, производившимся в Китае и Казахстане. Всё же можно предположить, что скорость гравитации значительно превышает скорость света. Насколько именно? Возможно, точный ответ дадут результаты спутниковых исследований с использованием мобильных и более чувствительных гравиметров.

Особенностью гравитации является и её универсальный характер - всё, что существует в природе, участвует в гравитационном взаимодействии. Оно может осуществлятся через гравитационные волны. Существование гравитационных волн предусмотрено общей теорией относительности и предсказано Эйнштейном еще в 1915 году.

Они, возможно, возникают при столкновении очень массивных объектов, которое порождает возмущения пространства-времени, расходящиеся с некоторой скоростью во все стороны от места зарождения. Эти волны представляют собой как бы рябь, распространяющуюся во времени со скоростью... Какой именно? Математика, оперируя безразмерными величинами, не может дать и не даёт ответа на этот вопрос. Требовались натурные исследования и наблюдения, которых вообще крайне не хватало [3]. Осенью 1919 года английская экспедиция Артура Эддингтона в момент затмения зафиксировала предсказанное Эйнштейном отклонение света в поле тяготения Солнца. При этом измеренное значение соответствовало не ньютоновскому, а эйнштейновскому закону тяготения. Это наконец позволило Эйнштейну получить в 1922 году Нобелевскую премию по физике (!?) за 1921 год с такой формулировкой: «за теорию фотоэффекта (за наиболее бесспорную и хорошо проверенную в эксперименте работу) …и за другие работы в области теоретической физики».

В начале 1960-х годов Джозеф Вебер изобрёл первый тип гравитационных антенн - резонансные камеры в виде двухметровых металлических цилиндров. С конца 1960-х годов Вебер начал публиковать статьи о детектировании гравитационных волн. Сообщения вызвали научную сенсацию. Многочисленные группы по всему миру начали строить подобные детекторы для проверки и уточнения результатов. В 1972 году портативный детектор Lunar Surface Gravimeter, изготовленный Вебером, был даже установлен на Луне в рамках научной программы полёта «Аполлона-17». Детектор измерял амплитуды собственных колебаний Луны, как бы возбуждаемых проходящими гравитационными волнами. Но открытие не состоялось [6]. Сейчас мы можем констатировать, что резонансный метод регистрации гравитационных волн оказался тупиковым: несмотря на все технические ухищрения и полувековую историю разработок, чувствительность резонансных камер на два порядка хуже, чем у построенных в начале 2000-х в США двух Лазерных интерферометрических гравитационно-волновых обсерваторий - LIGO. В их конструкцию входят по две перпендикулярных четырехкилометровых трубы с высоким вакуумом внутри, а чувствительными элементами являются подвижно закреплённые зеркальные отражатели интерферометров Фабри- Перо.

11 февраля 2016 года в США коллаборация LIGO объявила об обнаружении гравитационных волн на двух синхронизированных установках LIGO в двух обсерваториях, находящихся на расстоянии 3000 километров. Событие произошло 14 сентября 2015 года [3]. Обнаруженный сигнал исходил от слияния двух чёрных дыр, массой превосходящих Солнце в 36 и 29 раз и находящихся на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от Земли, при этом три солнечных массы ушли на излучение. Но об измерении скорости гравитационных волн речи и не идёт. Здесь в корреляционном анализе для гравитационных волн всё же используется величина скорости света. В результате «за решающий вклад в создание детектора LIGO и регистрацию гравитационных волн» в 2017 году удостоились Нобелевской премии по физике трое американских ученых - Райнер Вайс, Кип Торн и Барри Бэрриш.

За восторгом, которым сейчас наполнены рассказы об открывающихся перед нами перспективах гравитационно-волновой астрономии, уже теряется ощущение того, насколько тернистым и извилистым на самом деле оказался путь к получению результата. На сколько это неопровержимо покажут дальнейшие исследования.

Литература

гравитационный скорость электродинамика

1.Альберт Эйнштейн: Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Kцrper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Seite 891-921. Juni 1905.

2.Тамбовцев В.И. Чёрные Дыры. Проблемы определения скорости гравитации// Труды ХV международной конф. «Физика и тех. приложения волновых процессов». - Казань: КАИ. - 2017, С. 22 - 27.

3.Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger (Наблюдение гравитационных волн от слияния двух черных дыр). B.?P. Abbott et al. - LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration (2016). Physical Review Letters 116 (6).

4.Лаплас П. С. Изложение системы Мира. - Ленинград: «Наука», 1982. - 376 с.

5.Хокинг Стивен. Краткая история времени. От большого взрыва до Чёрных дыр. - Санкт-Петербург: Амфора, 2007 г., 232 с.

6.Ren Zhenqiu, Lin Yi. Post-Einstein gravitational effects (Гравитационные эффекты после Эйнштейна)// The International Journal of Systems & Cybernetics (Международный журнал систем и кибернетики). 2001. Volume 30. Number 4, pp. 433-448.

7.Алле Морис (Allais M.F.C.) Should the Laws of Gravitation be reconsidered? / part 1, Aero/Space. Engineering, Sept. 1959; ibid. part 2, Oct. 1959; ibid. part 3, Nov. 1959.

8.Торге В. Гравиметрия. Москва: Мир, 1999 г. 429 с.

9.Van Flandern T. What the Experiments Say// Phys. Lett. A, 250 (1-3) (1998), pp. 1-11.

Размещено на Allbest.ru