Аннотация: Работа МОЕГО ОТЦА, размещена по его просьбе.
О ВОЛНАХ ГРАВИТАЦИИ
А.М. Жмудь
'Одно из самых многообещающих современных направлений в исследовании тяготения - поиск гравитационных волн'.
И.Николсон. /1/.
Успехи в теоретической электродинамике и внедрение в теорию электромагнитного поля результатов специальной теории относительности (СТО) побудили А. Эйнштейна к работе над созданием общей теории относительности (ОТО), главной целью которой являлось создание единой теории поля, охватывающей не только гравитационное, но и электромагнитное взаимодействие. Тяготение, как следует из этой сложнейшей математической теории, есть проявление кривизны четырёхмерного геометрического многообразия. Однако, задачу создания приемлемой единой теории поля не удалось решить ни самому Эйнштейну, ни его последователям. В дальнейшем и сам Эйнштейн признал: 'Нельзя претендовать на то, что те части общей теории относительности, которые уже можно считать завершёнными, представляют собой полный и удовлетворительный фундамент физики. Во-первых, полное поле кажется состоящим из двух логически не связанных частей: гравитации и электромагнетизма. Во-вторых, эта теория, подобно прежним теориям поля, до сих пор не дала объяснения атомистической структуре материи' /2/.
Но ещё в 1916 году, когда надежда создания единой теории казалась реальной, анализируя полученные уравнения для гравитационного поля, Эйнштейн отметил, что в линейном приближении они похожи на волновые уравнениями. С тех пор теоретические и экспериментальные усилия в задаче поиска гравитационных волн постоянно нарастали, но их регистрация не достигнута ни в прямом эксперименте, ни даже опосредовано.
Тем не менее, признавая, что 'Эйнштейновские уравнения весьма сложны, и находить их точные решения трудно' /3/, многие научные авторитеты (Дирак, Тамм, Гинзбург) провозгласили, что 'соотношение между ньютоновской теорией тяготения и общей теорией относительности аналогично соотношению между электростатикой и электродинамикой' /4/. А раз аналогично, то следует ожидать существование гравитационных волн.
Эйнштейн предположил, что гравитационные волны являются поперечными и скорость их распространения равна скорости света. Видимо, большой авторитет Эйнштейна привёл к тому, что эти предположения были приняты за истину.
В соответствии с ОТО гравитационная волна - это область переменной кривизны. Кривизна проявляется в виде переменных по времени и по пространству ускорений между пробными телами. При этом, в связи с тем, что ускорения в гравитационной волне должны одинаково действовать на любые массы, в сколь угодно малой области гравитационную волну обнаружить нельзя. Это одно из принципиальных отличий её от электромагнитной волны. Измерить гравитационную волну можно лишь в том случае, если расстояние между двумя расположенными в плоскости перпендикулярной распространению волны массами таково, что можно обнаружить разность двух ускорений между этими массами.
Любая волна - это распространение колебаний в пространстве. В жидкостях и газах волны являются продольными, так как они обусловлены коллективным движением частиц среды, создающим чередующееся сжатие и разряжение. Распространение электромагнитных волн происходит вследствие того, что появляющееся в какой-либо точке пространства переменное электрическое поле возбуждает в соседних точках магнитное поле и наоборот. Таким образом, распространение электромагнитной волны обусловлено внутренним сцеплением электрического и магнитного поля. Ортогональность векторов электрического и магнитного поля и обуславливает поперечный характер электромагнитной волны. Если согласиться с существованием гравитационных волн, тогда что даёт нам основание полагать, что эти волны поперечного характера? Ведь у гравитационной волны может быть только одна составляющая, и следовало бы ожидать, что она должна иметь продольный характер подобно звуковой волне. С той только разницей, что звуковая волна переносит энергию давления, а гравитационная - энергию притяжения.
Вопрос о скорости гравитационных волн так же не очевиден. Известно, например, что, в своё время, исследуя движение Луны, Лемон-Филе и Лалас получали хорошие результаты по расчету её наблюдаемого ускорения, исходя из скорости распространения гравитации в миллион и даже в 100 миллионов раз превышающей скорость света /5/.
Закон, определяющий силу взаимного притяжения тел, был сформулирован Ньютоном ещё в 1782 г. Он так же не объясняет механизма гравитации. И тем не менее, 'многочисленные наблюдения движения планет и космических аппаратов согласуются с ньютоновской формулировкой закона с точностью до 10-8, при которой уже могут наблюдаться постньютоновские эффекты... но, по-видимому, нет веских свидетельств в пользу отклонения от этого закона для расстояний от нескольких сантиметров до нескольких астрономических единиц' /6/.
'На первый взгляд, Эйнштейновский закон гравитации не имеет ничего общего с ньютоновским' - писал П.А.М. Дирак. Но далее он утверждает, что 'закон Эйнштейна переходит в закон Ньютона, когда поле является слабым и статическим, следовательно, результаты ньютоновской теории по объяснению движения планет остаются в силе. Приближение статичности оправдывается малостью скоростей планет по сравнению со скоростью света. Приближение слабого поля является хорошим, так как пространство очень незначительно отличается от плоского' /3/.
Принято считать, что гравитационные волны образуются только при различного рода колебаниях больших масс (в том числе и при их вращении). Массивные генераторы таких излучений создать чрезвычайно трудно и поэтому такие излучатели имеют частоты колебаний от долей герца до тысяч герц. Длина волны, следовательно, если скорость распространения равна скорости света, будет от сотен километров и более, а, следовательно, изменение интенсивности поля на небольших расстояниях очень мало. Например, при длине волны 300 000 км изменение интенсивности поля на 1 % происходит на расстоянии порядка 1000 км /7/. Это в свою очередь приводит к огромным трудностям в эксперименте.
С другой стороны, совершено непонятно, почему в состоянии относительного покоя мы не рассматриваем возможность существования гравитационного излучения, в том числе и волнового характера. Ведь гравитационное взаимодействие и в этом случае существует. Правда, в этом случае длины волн будут не такими, а чрезвычайно короткими и частоты их излучения очень высокими. Ведь электромагнитное оптическое излучение мы не пытаемся 'ловить' от вращающегося светильника!
Гравитационное взаимодействие является чрезвычайно слабым - оно в 4,7x10-42 раз меньше, чем электромагнитное взаимодействие. И в то же время оно обладает такой проникающей способностью, что экранировка от него до настоящего времени неизвестна. Сочетание таких возможностей не может не удивлять. Известно, что наибольшей проникающей способностью отличаются наиболее высокочастотные излучения. Такие, как рентгеновское излучение и гамма-излучение. Длина волны гамма-излучения менее 10-11м, а частота более 3x1019сек -1. В этой связи кажется совершенно несовместимой известная проникающая способность гравитационного излучения с предположением о много километровой длине гравитационных волн. Проникающую способность этого излучения можно лишь сравнить с нейтрино. Есть даже предположение, что мощные потоки нейтрино генерируются при гравитационном коллапсе звёзд и уносят большую часть высвобождающейся гравитационной энергии /8/. Нейтрино с энергией 1 МэВ имеет в свинце длину свободного пробега порядка 100 световых лет /9/.
Приведенные рассуждения позволяют предположить, что гравитационные волны, если они существуют, следует искать в области чрезвычайно высоких частот, и эти волны могут быть только продольными, а скорость их распространения остаётся неизвестной.
Цитируемая литература.
1. Николсон И. Тяготение, чёрные дыры и вселенная. М. Мир.1983.
2. Эйнштейн А. ПСС, т.4. стр.235.
3. Дирак П.А.М. Общая теория относительности. Айнштайн.1997.
4. Гинзбург В.Л. В сборнике: Эйнштейн и современная физика. М.1956. с.93.
5. Роузвер Н.Т. Перигелий Меркурия. От Леверье до Эйнштейна. М Мир.1985.
6. Уилл К. Теория и эксперимент в гравитационной физике. М. Энергоатомиздат.1985.
7. Грушинский Н.П., Грушинский А.Н. В мире сил тяготения. Недра.1978.
8. Физика микромира. Сов. энциклопедия. М.1980. С. 272.
9. Физика космоса. Сов. энциклопедия. М.1976. С. 385.