Журнал "Вокруг Света" №4 за 2004 год - Вокруг Света

Так пришло подтверждение выводов ОТО о вековых сдвигах перицентров (точки орбиты, ближайшие к центру, они же перигелий — для околосолнечных и перигей — для околоземных орбит) в двойных системах. Еще одно известное и едва ли не самое экзотическое предсказание ОТО –– черные дыры. Современная астрофизика рассматривает их как вполне реальные космические объекты, возникающие в результате гравитационного коллапса тяжелых звезд и часто присутствующие в центрах галактик. Любопытно, что уже первое точное решение уравнений Эйнштейна, полученное в 1916 году немецким астрономом К. Шварцшильдом и характеризующее статическое поле тяготеющего центра, содержит описание простейшей черной дыры. Хотя полное понимание свойств решения Шварцшильда было достигнуто лишь в 1960 году. С того же времени физика черных дыр развивается как самостоятельное направление исследований, которое уже привело к ряду интересных и во многом основополагающих результатов. Еще одна область для обсуждения теоретических основ ОТО –– это сингулярности (уходы в бесконечность), которые скрываются за горизонтами черных дыр.

Это –– точки, линии или поверхности, в которых пространство-время теряет гладкость, а величины, характеризующие кривизну, обращаются в бесконечность. Сингулярности могут быть связаны с бесконечными плотностями и давлениями материи, но встречаются и чисто геометрические, например в решениях уравнений Эйнштейна в вакууме –– в отсутствие материи. Неизбежность сингулярностей в решениях ОТО при очень общих условиях доказана в целом ряде теорем, и это указывает на то, что ОТО, по-видимому, не совсем точна при описании сверхсильных гравитационных полей. В отличие, скажем, от горизонта (границы) черной дыры (гладкой поверхности, работающей по принципу «всех впускать, никого не выпускать») сингулярности представляют для теории реальную проблему: исходя из самой теории, указывают границы ее применимости или же места, где она перестает работать. Таким образом, ОТО сама подсказывает необходимость выхода за ее рамки.

В связи с этим существуют предложения, связанные с попытками учесть квантовые явления. Хотя взаимоотношения гравитации и квантовой теории — отдельная и достаточно сложная история. Существует несколько способов получения квантовых версий ОТО, которые приводят к принципиально разным результатам. По этой причине многие специалисты полагают, что квантовая гравитация должна строиться не на основе ОТО, а на основе более общей и более глубокой теории, объединяющей гравитацию с другими взаимодействиями.

На сегодняшний момент практически треть ежегодно представляемых научных работ в области гравитации так или иначе оказывается в области классической ОТО и ее астрофизических и космологических приложений. Совершенствуется математический аппарат, включая методы поиска решений уравнений Эйнштейна, находятся новые решения и анализируются старые, обсуждаются принципиальные вопросы и рассчитываются наблюдаемые эффекты. В экспериментальном разделе много работ, предлагающих попытки регистрации гравитационных волн, а также предложения о проведении измерений в космосе. Есть раздел альтернативных подходов, среди которых на почетном месте многомерные теории и теории объединения взаимодействий, включая гравитацию.

Разработчики обобщений ОТО преследуют довольно разнообразные цели. Это и попытки преодолеть ее трудности, сохранив или усилив достоинства, и стремление учесть принципы и явления, в ОТО не представленные. Но, пожалуй, главное во всех новых теориях –– это подход к гравитации как к составной части будущей «теории всего на свете». Объединенные модели гравитации, как правило, используют более сложные геометрические структуры, чем четырехмерная риманова геометрия, а также новые физические поля, помимо метрики. Многие из них используют идеи, выдвинутые еще в начале 1920-х годов. И все же каждая из таких теорий при наложении некоторых ограничений сводится к ОТО. Как и в ОТО, в них ведется поиск решений, представляющих физический интерес (черные дыры, космологические модели и так далее), и предсказаний, допускающих проверку наблюдениями.

Таким образом, несмотря на блестящий экспериментальный статус ОТО, большинство современных специалистов рассматривают ее не как последнее слово в этой области физики, а как низкоэнергетический предел пока еще не известной фундаментальной теории — скорее всего многомерной и объединяющей все взаимодействия. А значит, скорее всего, ОТО предстоит повторить судьбу теории Ньютона — отступить с переднего края исследований в глубокий тыл, став всего лишь важным предельным случаем новой, еще более совершенной теоретической конструкции.

Скалярно-тензорные теории (СТТ)

В них гравитация характеризуется, помимо метрического тензора, определяющего кривизну пространства, одним или несколькими скалярными полями. Это такие поля, которые не зависят от выбора системы координат. СТТ –– самое простое с математической точки зрения обобщение ОТО, предсказывающее в общем случае зависимость гравитационной постоянной от положения в пространстве и времени, отличные от ОТО величины классических эффектов и большее разнообразие гравитационных волн.

Калибровочные теории

Главная их идея восходит к работам немецкого математика Г. Вейля 1918—1922 годов, в которых предлагалось использовать уравнения гравитации и электромагнетизма с дополнительной симметрией относительно некоторых преобразований самих полей. С 1950-х годов подобные симметрии (локальные калибровочные) широко используются для описания взаимодействий частиц. Важно, что калибровочные симметрии могут описываться в терминах геометрии некоторых особых пространств, продолжая тем самым геометризацию физики. Предполагается, что в таких теориях можно «сгладить» многие сингулярности, имеющиеся в решениях ОТО, и по-новому поставить проблемы энергии и квантования.

Теории суперструнного происхождения

Среди претендентов на роль «теории всего на свете» наиболее перспективными считаются так называемые теории суперструн. Струны —– это одномерные микрообъекты, которые, подобно гитарным струнам, могут испытывать колебания с определенным спектром частот. Этим частотам сопоставляются энергии различных частиц. Приставка «супер» в данном случае означает присутствие так называемой суперсимметрии — симметрии между разными типами элементарных частиц. Суперструны «живут» в искривленных пространствах 10-и или 11-и измерений (в зависимости от конкретного варианта теории) и при определенных условиях приводят к некоему подобию ОТО.

Теория мира на бране

Теории, работающие в пространстве, имеющем более четырех измерений, вынуждены отвечать на вопрос, почему эти измерения невидимы. В большинстве случаев, начиная с работ Т. Калуцы и О. Клейна 1920-х годов, ответ звучит так: лишние измерения замкнуты, или свернуты, и имеют крайне малые размеры.

Но возможен и другой ответ: например, 5-е или 6-е измерения — не малы, может быть, даже бесконечны, но наш мир «заперт» на четырехмерной поверхности, а для выхода в 5-е или 6-е измерения нужна огромная энергия. Такая запертая поверхность получила название «брана», а вся теория известна как «мир на бране». В таком мире могут существовать и черные дыры без сингулярностей, и кротовые норы, и многие другие нестандартные объекты и явления.

Кирилл Бронников, доктор физико-математических наук

Pro et contra: Карлики среди великанов

Для большинства из нас понятие «динозавр» — синоним огромных, наводящих ужас на все живое ящеров, кровожадность которых не знает предела. Специалисты же вправе относиться к подобным стереотипам восприятия с нескрываемым скепсисом. Они-то знают, что далеко не все динозавры были гигантами. Обширное племя этих вымерших рептилий насчитывало немало мелких и даже миниатюрных ящеров, не способных превысить по размерам обыкновенную курицу. Палеонтологи в попытке разгадать тайны эволюции жизни на нашей планете изучают этих карликов с особым энтузиазмом, открывая при этом ошеломляющие, порой трудно объяснимые факты.

На протяжении всех 150 млн. лет господства динозавров бок о бок с огромными ящерами жили их куда более мелкие сородичи. Уже в середине триасового периода (240 млн. лет назад) на Земле обитало немало мелких, проворных, хищных динозавров. Среди этих древнейших из известных нам ящеров был и эораптор — небольшой, изящный хищник, найденный в 1991 году палеонтологом Полом Серено в Аргентине. Длина тела «утреннего охотника» (перевод латинского названия этого животного) составляла не более метра, но его великолепные острые зубы с успехом компенсировали эту «неприятность». Вероятнее всего, добычей эорапторов чаще всего становились мелкие пресмыкающиеся, но не исключено, что эти хищники практиковали и коллективную охоту, нападая на более крупных животных целой стаей.